Διερεύνηση ροής και μεταφοράς θερμότητας σε υλικά αλλαγής φάσης με μεθόδους υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Χυσεσάνι, Ντονάλντο

Heat and fluid flow study of phase-change materials with computational fluid dynamics

Διπλωματική εργασία

Author

Χυσεσάνι, Ντονάλντο

Date

2021-10-15

Advisor

Sarris, Ioannis
Gkountas, Apostolos

Hysesani_51204280.pdf (3.672Mb)

Keywords

Αποθήκευση θερμικής ενεργείας ; Αποθήκευση ενέργειας ; Υλικά αλλαγής φάσης ; Μεταφορά θερμότητας ; Υπολογιστική ρευστοδυναμική ; CFD ; PCM ; Thermal energy storage ; TES

Abstract

Τα υλικά αλλαγής φάσης είναι σύστημα λανθάνουσας θερμότητας και χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση θερμικής ενέργειας και για την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας σε εφαρμογές τους. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείτε η υπολογιστική προσομοίωση ενός δοχείου με υλικό αλλαγής φάσης κυλινδρικής διατομής. Στο πλαίσιο της εργασίας αναπτύσσεται το θεωρητικό πλαίσιο σχετικά με την ανάγκη αποθήκευσης θερμικής ενέργειας μέσω της λανθάνουσας θερμότητας, ο τρόπος που τα υλικά αλλαγής φάσης συνεισφέρουν σε αυτή την κατεύθυνση, την διαδικασία αλλαγής φάσης ενός υλικού , τον τρόπο λειτουργείας και τις ιδιότητες τους , την αναλυτική κατηγοριοποίηση των υλικών , και τέλος τις εφαρμογές που μπορούν να αξιοποιηθούν αυτά τα υλικά, όπως και τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των υλικών αυτών. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης της ροής και της μεταφοράς θερμότητας σε ένα πλαίσιο γεμάτο με υλικό αλλαγής φάσης, μέσα από το οποίο περνάνε σωλήνες κυλινδρικής διατομής που διαρρέονται από θερμό ρευστό. Για να προσομοιωθεί αυτή η διεργασία, χρησιμοποιείται εμπορικό λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Η εργασία περιγράφει αναλυτικά τη διαδικασία πλεγματοποίησης, εισαγωγής των κατάλληλων συνοριακών συνθηκών και αρχικών συνθήκων καθώς και των φυσικών – αριθμητικών παραμέτρων επίλυσης. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για δύο διαφορετικές θερμοκρασίες σε ένα χρονικό διάστημα 200s . Τα αποτελέσματα αφορούν το πως τήκεται το υλικό αλλαγής φάσης καθώς και την ανάλυση του πεδίου ροής του , όπου και γίνεται σχολιασμός των αντίστοιχων αποτελεσμάτων.

Abstract

Phase change materials are a latent heat system and are used to store thermal energy to achieve energy savings in their application. In the present thesis is attempted a numerical investigation of a container with phase change material of cylindrical section. The thesis expands the theoretical background of the essential need for thermal energy storage though latent heat, the way phase change materials contribute in this direction, the process of phase change of a material, their way of operation and their properties, the detail classification of the materials and finally the applications that can be utilized by these materials. Additionally, the construction characteristics of these materials are investigated. Next, is presented the mathematical model for simulating flow and heat transfer in a frame filled with phase change material, through which cylindrical tubes, leaked with hot liquid, pass. Commercial computational dynamic fluid software is used for the simulation of this process. The thesis describes in detail the grid process, Input of the appropriate boundary conditions and initial conditions as well as the physical – numerical solution parameters. Finally, are presented the results for two different temperatures in a period of 200 seconds. The results refer to way the phase change materials melt as well as to the analysis of their flow field, where the respective results are commended.