EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Çolak, Üner" ile EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeExperimental and numerical investigation of single and multiple droplet interactions with high-temperature surfaces(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Gültekin, Ahmet ; Çolak, Üner ; 698448 ; Enerji Bilim ve TeknolojiThe phenomenon of droplet impingement onto solid surface can be seen in several industrial applications such as ink-jet printing, fuel injection process in internal-combustion engines, spray coating, and spray cooling systems. For several decades, the importance of this phenomena has inspired several researchers' investigations in pursuit of a thorough understanding of the interactions between mass, momentum and heat transfer. However, despite many experimental and numerical studies, the effect of droplets on a solid surface is not fully understood. This problem becomes more complicated if the surface is heated during the impact and interacts with other droplets. In the literature, most of the studies have focused on single droplet impact, while those relating multiple droplet impacts are quite more limited. After the single droplet impact onto the solid surface, droplet starts to spread and a circular lamella takes shape. However, after multiple droplet impingement onto a solid surface, the interaction phenomenon will occur if the droplets are too close to each other based on their impact parameters. The hydrodynamic outputs and heat transfer activities of the droplets are very distinct from single droplet cases due to this interaction. This interaction phenomenon leads to uprising sheets which causes lesser spreading area per droplet on solid surface. The challenge of understanding of physical mechanism and modeling the phenomenon of spray cooling comes from the droplets' randomness and untraceable behavior. For that purpose, it is important to examine a simplified method with a known number of droplets. In addition, most of the studies available in the literature have provided limited quantitative data, such as spreading diameter, and lamella height. Recent developments in visualization and imaging technology provide significant advantages in measurement techniques. Spreading phase after droplet impingement is characterized by rapid energy conversions and dissipations within a small area. The major limitation lies in the difficulty of optically reaching the target region for non-invasive physical quantity measurements. The success of particle image velocity (PIV) measurement is especially noteworthy in such circumstances. This technique makes it possible to evaluate complex actions over time in more detail. Therefore, time-dependent radial velocity distribution of the droplets in the spreading phase was measured using the PIV technique. This thesis consists of two main sections: experimental and numerical studies. Experimental studies were carried out in the Visualization Laboratory at Tokyo University, Nuclear Engineering and Management Department. An experimental setup was designed and built to carry out experimental studies. To get simultaneous multiple droplet, a droplet generation and control system has been developed. In the experimental investigations, shadowgraph and PIV methods are used. In the simulation part of this thesis, hydrodynamics behavior and cooling performance of single and multiple droplets were investigated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). StarCCM + (version 2019) has been used to perform numerical investigations on a workstation (4 cores 16 GB RAM). New numerical models have been developed for the liquid and gas phases including mass, momentum, and heat transfer equations based on the "Volume of Fluid" (VOF) method. These numerical models were validated with experimental data. 2-D axisymmetric VOF model has been used only for single droplet investigations whereas, 3-D VOF model has been used for multiple droplet interactions. The results obtained in this thesis are summarized as follows: Variation of uprising sheet height with dimensionless time is compared with an existing theoretical model. The theoretical model agrees with experimental results for initial phases. However, the experimental findings do not fully match with the theoretical findings in later phases owing to uprising sheet losing its balance. The contact time of a single droplet in the film boiling has been compared with available correlations in the literature and it has been observed that the experimental results are largely in agreement with available correlations. Also, a new empirical correlation is proposed. It is seen that MAPE value is 3.12% and correlation successfully represents the contact time. It has been observed that the rebound phenomenon for simultaneous and non- simultaneous double droplet cases take place faster comparing with a single droplet. This is more probably due to the less spreading area per droplet owing to droplet interaction. Also, using PIV method, the variation of radial velocity was examined inside the droplets for different temperatures. It was observed that radial velocity is linear over a comparatively wide range of spreading radius, but due to capillary and viscous forces with time, the radial velocity profiles took a non-linear shape in the exterior radial positions. At the high surface temperatures, particularly in later stages, increases the uncertainties in the radial velocity distribution in exterior radial locations because of intense disturbances are formed at the interface by the bubble nucleation. Afterwards, PIV data within the lamella were compared with a theoretical model at ambient temperature. For high We case, the analytical model highly agrees with linear sections of the radial velocity profiles. For moderate We case, during the early spreading phase, the model highly agrees with the linear pieces of radial velocity profiles in the inner radial positions. Partial linearity is still identified in the latter stages, but the theory differs from radial velocity profiles. Furthermore, the spreading velocities within droplet pair are examined at ambient temperature using PIV. Creation of uprising sheet leads to an upward flow which causes this extra stagnation point in the interaction region. Computational models for single droplet were validated by comparing qualitative shadowgraph images, spreading factor as well as radial velocity distributions within the droplet. For multiple droplet case, to validate computational model variation of the dimensionless uprising sheet with time was also compared. Total number of mesh elements are 125 000 and 7.5 × 106 for 2-D Axisymmetric and 3-D model, respectively. When vertical distance is close to each other, uprising sheet created by spreading liquid lamella collision still can be detected. However, when vertical distance is wider the uprising sheet could not be observed. Also, it is observed that decreasing vertical spacing leads to reaching maximum values of total spreading area and heat flow earlier. As the horizontal distance between the droplets gets shorter, the magnitude of interaction increases and the spreading area covered on the surface and heat transfer decreases. A mathematical expression is proposed to predict the dimensionless spreading area per droplet for multiple droplets impacting simultaneously on the solid surface taking into account the variation of spreading factor for a single droplet. Cooling efficiency and performance loss are defined to see the effect of droplet number taking into account the variation of heat flow for a single droplet. It was found that the interaction strongly effects the cooling performance especially in the first stages after the multiple droplet interaction.
-
ÖgePlanning And Stochastic Evaluation Of Combined Cooling Heat And Power Systems Under Uncertainty(Energy Institute, 2019-01-29) Ersöz, İbrahim ; Çolak, Üner ; 10255199 ; Energy Sciences and Technologies ; Enerji Bilim ve TeknolojiCCHP (Combined Cooling Heat and Power) systems are the most well-known technologies for efficient energy usage and it usually refers to simultaneous production of cooling, heating and power from a single energy source. CCHP plants are built as decentralized systems, and they are operated close to where it is needed. Thus, CCHP systems are considered as more efficient, profitable, reliable and environmentally friendly systems compared with conventional generating plants. Nonetheless, CCHP systems or any other energy conversion systems should be designed and operated effectively to gain the expected advantages. It is not an easy decision for a SME (small and medium size enterprises) to invest in CCHP systems. Decisions for investments are generally taken by the conventional method, which relies on the result of an economic analysis with the assumption that variables will remain stable over the time the analysis is made. However, this kind of systems is dynamic and all the parameters are subject to change until the day the CCHP system expires economically. Thereby, CCHP systems work under uncertainty conditions during their economic life. The technical and financial performance of the system is affected by various parameters which include the fluctuation of energy loads, working hours, energy prices, exchange rates and interest rates. Accordingly, evaluating only the scenario where the current values of variables are taken into account may not help investors in decision making owing to uncertainties, the probability of occurrence of uncertainties and their outcomes. The analysis held in this study has been based on real and current operational data of an existing industrial facility located in Istanbul. Beside that, This study has two stages to assess the uncertainties in CCHP systems. The main purpose of the first part of the study is to specify a model and a methodology to select the best CCHP scheme in the presence of uncertainties. Differing from previous studies, this study examined the uncertainties in CCHP systems and evaluated the impacts of these uncertainties on the operational decision-making process as well as the stochastic impacts on the decision making process of the given investment. In the first stage, the system has been evaluated as a sole CHP system in the light of the updated value of the variables, then the system has been designed as a CCHP system by adding the absorption chiller with the intention of covering the cooling demand partly or fully. Setting the correct load capacity and scheduling is important while deciding on whether the most profitable system should be CHP or CCHP for a given plant. For this propose, macro program in Microsoft Excel has been run in order to determine the most proper capacity for the absorption chiller that will maximize the total annual saving. After determining the most proper cooling load of the absorption chiller, the system has been re-evaluated in the economical aspect. In another subsection, sensitivity analysis has been applied with the purpose of seeing the impact of the variables on the result. Following this, a new formula has been created to analyse and calculate the effects of variables on the result of the objective function on a percentage basis. Genetic algorithm is used to see the best case scenario in given constrains of uncertain variables. The result of this forms a reference for the comparison of the actual situation with the best case scenario. As a last step, possible results of the total annual saving have been re-calculated by using probabilistic models under non-parametric stochastic method. The analyses conducted in first stage have specifically addressed the variables that affect the economic feasibility of the investment and the uncertainties that may affect the investment any time in the systems economic life span. The main objective is to analyse all the possibilities and changes of the uncertain parameters during the life of the system to help investors see the possibility of the occurrence of the best and worst case scenario before making investment decision. Moreover, it is shown that some certain criteria should be satisfied in order for CCHP power plants to be more feasible. The results concluded from this stage are mentioned more in details in the last section of the manuscript. This stage of study has revealed that an evaluation made solely by considering the current values of the variables of the system is not sufficient to analyze the profitability of the investment. Apart from the conventional evaluation, the random changes of the independent variables at any time should be evaluated in order to see how they affect the profitability. Accordingly, it has been concluded that the deterministic evaluation is not sufficient to assess CCHP systems by its own and the stochastic evaluation gives a broader point of view in terms of overseeing all possible risks. The first stage of the thesis presented a very wide range of possibilities to assess the profitability of the system. At second stage, a re-evaluation was carried out in order to make a clearer analysis considering the historical data of the independent variables that affect the applicability of the system and the correlations between the variables, if any, and the probability density functions of the variables. Second stage of the study has been aimed to estimate how the profitability of a CCHP system, which is considered investable based on current values, will change throughout its economic life by adopting stochastic methods. Accordingly, the system has been analysed under four different simulation methods, namely parametric method, historical trend method, Monte Carlo method and scenario-based method, and their results have been compared. Among all the studied methods, the Monte Carlo and the historical trend methods directly take historical data as a reference. The parametric method, on the other hand, uses only the parameters of the mean and standard deviation from the historical data as a reference and thereafter assumes that all parameters will follow the normal distribution. Differing from these methods, the scenario-based method tries to determine where the objective function will be concentrated by considering all probable scenarios. In this regard, the parametric method gives results across the widest range, offering an unclear prediction about future results. The Monte Carlo method gives the highest mean value, while the historical trend method gives probabilities in a narrower range. The scenario-based method, meanwhile, offers a broader prediction than the historical trend method and also predicts a lower mean value for tas. Second stage of the study has showed that Investments in energy systems, including CCHP systems, face uncertainty. To answer whether an investment will remain profitable in the midst of these uncertainties, different methods can be applied either using past data or considering all possible scenarios. Although each method used in this study has certain advantages and disadvantages, all four methods can be used to evaluate CCHP systems at the investment stage. Since prices in almost all countries, particularly in the energy market, may not move in line with the historical trend, this study has shown that the scenario-based method is most appropriate to adopt given the comparisons and contrasts it provides.
-
ÖgeYüksek Enerji Yoğunluklu Lityum İyon Bataryalar İçin Silisyum Bazlı Anotlarda Gözenek Geliştirilmesi Ve Optimizasyonu(Enerji Enstitüsü, 2017-07-31) Yuca, Neslihan ; Çolak, Üner ; 301102006 ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesEnerji depolama sistemleri; enerji şebekelerini düzenlemek, şebeke güvenilirliğini artırarak şebekeden alınan elektrik enerjisinin kalitesini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak temiz enerjiye yönelim nedeniyle günümüzde, elektrikli ya da hibrit elektrikli araçlar ile yenilenebilir enerji kaynakları ve bu sistemlerde kullanılacak enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi ön plana çıkmıştır. Bu sayede rüzgâr ve güneş gibi sürekli olarak yararlanma imkanı olmayan yenilenebilir kaynaklardan bu kaynakların mevcut olduğu zamanlarda üretilecek enerjinin depolanarak, kaynakların kesintiye uğradığı zamanlarda kullanılmasına olanak sağlayacak; böylece yenilenebilir enerjinin güvenilirliğini artırarak, kullanımını cazip hale getirecektir. Günümüzde, enerji depolama teknolojileri ise bir dönüşüm halinde olup, güç (watt) ya da enerji (watt-saat) kolay sağlanabilirken bunların her ikisini birlikte elde etmek mümkün olamamaktadır. Süperkapasitörler, sadece birkaç saniyelik yüksek miktarlarda güç sağlayabilmekte ve yakıt hücreleri pik güçlerde sınırlı olmak şartıyla yüksek miktarda enerji depolayabilir. Bunlar birçok, yüksek miktarda güç ve enerji gerektiren, modern ileri teknolojiler (akıllı telefonlar, giysi bilgisayarlar, elektrikli araçlar gibi) için önemli sorundur. Lityum iyon bataryalar (LIB) günümüzde, yüksek güç ve enerji uygulamaları için en iyi çözümlerdir. Çünkü LIBlar yüksek enerji ve güç yoğunlukları ile diğer şarj edilebilir pillere göre daha hafif ve daha küçüktür. Bu özellikleri, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, dijital kameralar/video kameralar ve taşınabilir diğer elektronik cihazlarda büyük ölçüde neden kullanıldığını açıklamaktadır. LIB'ların diğer avantajları ise, kurşun asit ve metal hidrür bataryalar ile kıyaslandığında, yüksek enerji verimi, hafıza etkisi olmaması ve kısmen uzun çevrim ömrüne sahip olmalarıdır. LIB'lar kullanım alanı spektrumu çok geniş olan enerji depolama sistemleridir. Cep telefonları, tabletler, taşınabilir bilgisayarlar gibi tüketici elektroniğinden, elektrikli araçlara, uçak-uzay uygulamalarından askeri uygulamalara, sosyal ve politik birçok alanda önemli bir ekipman olmaktadır. Bu nedenle yerlileşmesine önemle bakılan stratejik bir konu olması nedeniyle de dünyada büyük rekabetin olduğu bir saha haline gelmiştir. Bugün, tüketici elektroniğinde kullanılan lityum iyon bataryaların yaklaşık %90'ı Asya'da üretilmekte ve geleceğin elektrikli araçları için ilave teknolojilere gerek duyulmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri, elektrikli araç üretiminde başı çekenlerden olmayı planlaması sebebiyle, yerli bir lityum iyon batarya üreticisinin kritik olduğunu dikkate almış ve rekabetçi bir pazar içinde yeralabilmek ve başarılı olabilmek için uzun dönemli planlara ihtiyaç duymuştur. Ülkemizde de, az sayıda olmakla birlikte, üniversiteler, araştırma kurumları ve ticari firmalar, lityum iyon batarya teknolojileri üzerine çalışmalar yapmaya başlamıştır. Lityum iyon bataryaların ana bileşenleri, dış devreye elektron sağlayan ve elektrokimyasal reaksiyon sırasında yükseltgenen anot, dış devreden elektron kabul eden ve elektrokimyasal reaksiyon sırasında indirgenen katot ve iyon gibi yüklü yapıların transferini sağlayan bir ortam olan elektrolittir. Etilen karbonat, dietil karbonat ve/veya dimetil karbonat gibi organik çözücülerde çözünmüş LiPF6 tuzu ticari olarak en yaygın kullanılan elektrolit olmakla birlikte, katı elektrolit ya da polimer elektrolitler üzerinde yoğun çalışmalar bulunmaktadır. Katot malzemeleri, lityumla konak-konuk bileşiği oluşturmak üzere tersinir tepkime verebilen metal oksit yapılardır. Bu yapılar arasında ticarileşmiş olan en önemli örnekleri lityum kobalt oksit (LCO), lityum demir fosfat (LFP) ve nikel mangan kobalt (NMC) kompozitleridir. Anot aktif malzemeleri ise hali hazırda ticari olarak kullanılan grafit olmakla birlikte silisyum, kalay ve germanyum üzerinde çokça çalışılan malzemelerdir. Teorik kapasiteleri ise sırasıyla 4200 mAh/g, 1600 mAh/g, 999 mAh/g'dır. Günümüzün en yaygın kullanılan ve ticarileşmiş neredeyse tek ürünü olan grafit anot aktif malzemesi enerji yoğunluğunun sınırlı olması, yüksek kapasite gösteren silisyum (Si) bazlı malzemeleri alternatif hale getirmektedir. Si bazlı negatif elektrotlar, 372mAh/g teorik kapasiteye sahip grafit anotlarla kıyaslandığında, yaklaşık olarak teorik kapasitesi 4200mAh/g olup 11 kat fazla kapasite sağlayarak ön plana çıkmıştır. Ancak Si bazlı anot malzemelerinin de aşılması gereken bazı sorunları bulunmaktadır. Bunların en önemlisi Si atomlarının şarj-deşarj sırasında Li atomları ile reaksiyonu sonucu hacimce sübvanse edilemez bir şekilde değişmesidir (%300 civarında genişleme görülmektedir.) Bu hacimsel değişiklik sonucunda anot malzemesinde çatlaklar oluşmakta, elektriksel iletkenlik kaybedilmekle beraber, iyon transferindeki azalma, kapasite kaybıyla sonuçlanmaktadır. Silisyumun sahip olduğu bu sorun, silisyum esaslı kompozitler geliştirilerek, gözenekli silisyum yapıları sentezleyerek, polimer bağlayıcı çözümleri üzerine çalışılarak ya da çeşitli üretim metotları geliştirilerek çözülmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmada da silisyum bazlı anot aktif malzemeleri, optimize edilen ve geliştirilen yöntemler ile ve bu yöntemlerin çeşitli polimer bağlayıcılar kullanılarak çalıştırılmasına dayanılarak çözümler sunulmuştur. İlk olarak, anot üretiminde önemli bir adım olan haddeleme prosesi farklı anot porozitesi yüzdeleri için gerçekleştirilmiş olup, en uygun oran bulunmaya çalışılmıştır. c-SiO/PFM bileşimi için en uygun bulunan %15 haddeleme oranı farklı malzeme ve polimer bileşimi olan Si/PAA ve Si/nPAA bileşimleri ile de çalışılmıştır. Elde edilen anotların yapısal ve elektrokimyasal analizleri yapılarak, sunulan katkı açıklanmıştır. Ayrıca haddeleme sonrası elektrot yoğunluğu ve por hacminin değişimi piknometre ile gösterilmiştir. İkinci olarak ise geliştirilen bir yöntemle, poroz Si bazlı anot üretilmiştir. Buradaki ana amaç; Si bazlı anotların kapasitesini, uzun çevrim sayılarında, kulombik verimi yüksek olarak kullanabilmektir. Günümüzde ticari olarak kullanılan karbon bazlı anotların kapasitesi, günlük uygulamalarımız (cep telefonu ve bilgisayar) için ve gelecekte yaygın bir kullanımı olması planlanan elektrikli araçlar için yeterli değildir. Bu sebeple, yüksek enerji yoğunluğuna sahip ve yüksek spesifik kapasiteli anotlar geliştirilmesi gerekmektedir. Burada yapılmak istenen ise bu ihtiyaçları karşılayabilecek, anot tasarımlarını sağlamaktır. c-SiO/PFM bileşimi, farklı oranlarda tuzun yapıya eklenmesi ve uzaklaştırılması ile poroz hale getirilmek istenmiştir. Anot yapısında sağlanan bu poroziteler, lityumun silisyum yapısına girdiğinde sebep olduğu hacimsel genişlemeye izin vererek, yapının bütünlüğünün bozulmasını önlemektedir. Böylece fazla aktif malzeme yüklenmiş olmasına ragmen, daha uzun çevrimlerde, daha kararlı elektrot sonuçları elde edilebilinmiştir. Yapılan çalışmada elektrot yapısına eklenip uzaklaştırılan en uygun tuz oranı ağırlıkça %30 olarak tespit edilmiş olup, çalışma Si/PPy anot bileşimi için de çalışılmıştır. Poroz elektrotların karakterizasyonu için SEM, EDS, AFM, piknometre and civalı porozimetre kullanılmıştır. Haddeleme optimizasyonun sonucu olarak, en uygun hadde oranı %15 olarak bulunmuştur. c-SiO/PFM anot bileşiminin %15 hadde ile 100 çevrim sonrası 3,5 mAh/cm2 yükleme kapasitesine ve 1250mAh/g spesifik kapasiteye ulaşılmıştır. Aynı haddeleme oranı Si/PAA ve Si/nPAA anot bileşimleri için de uygulandığında stabil bir çevrim performansı gösteren elektrot 100. çevrim sonunda sırasıyla 511 ve 1370mAh/g spesifik kapasite vermiştir. Piknometre sonuçları ise, artan haddeleme oranına bağlı olarak c-SiO elektrodun elektrot yoğunluğunun arttığını ancak por hacminin azaldığını göstermiştir. Porozite oluşturma çalışmasında, %10 NaCl ile çalışılan c-SiO/PFM anodu 100 çevrim sonunda 3mAh/cm2 yükleme kapasitesi ve 1000 mAh/g spesifik kapasite sağlamıştır. %30 NaCl ile çalışılan c-SiO/PFM anodu ise 100 çevrim sonunda 4mAh/cm2 yükleme kapasitesi ve 750 mAh/g spesifik kapasite sağlamıştır. Metot, %30 NaCl Si/PPy anot bileşimi için de uygulanmıştır. %30 NaCl ile çalışılan Si/PPy anodu ile 100 çevrim sonunda 1100 mAh/g spesifik kapasiteye ulaşılmıştır. Yapısal karakterizasyon sonuçları da poroz elektrot yapısını desteklemektedir. SEM üstten vey an kesit görüntüleri porların gözlenmesini sağlamıştır. EDS analizi ile yıkama sonrası elektrot yüzeyinde çöken Cu parçacıklarının tespitini sağlamıştır. AFM sonuçları, porosite oluşturduktan sonra daha yüksek pürüzlülük değeri (Ra) göstermiştir. Piknometre ve civalı porozimetre sonuçları ise elektrot yapısında porozite sağlayan elektrotun yıkanma sonrası artan por hacmini ve poroziteyi kanıtlar niteliktedir. Bu tezde ki çalışmalar ve sonuçları dikkate alındığında, geliştirilen metodun ve yapılan optimizasyonun, lityum iyon batarya uygulamalarında Si esaslı malzemelerinin kullanımasına ışık tutabileceği anlaşılmaktadır.