Nanopartikül katkılı faz değiştiren malzemelerin erime ve katılaşmasının sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, kare bir kavite içerisindeki faz değiştiren malzemenin (Phase Change Material, PCM) erime ve katılaşma süreci sayısal olarak incelendi. PCM'in düşük ısı iletim katsayısına sahip olması erime ve katılaşma performansını önemli ölçüde etkilemektedir ve bu durum yüksek şarj veya deşarj hızı gerektiren uygulamaları kısıtlamaktadır. PCM'deki ısı transferini iyileştirmek için, faz değiştiren malzemeye yüksek termal iletkenliğe sahip parçacıkların katılması ve kanatçıkların eklenmesi gibi çeşitli teknikler önerilmektedir. Bu tez, farklı durumların incelendiği dört farklı sayısal çalışmadan oluşmaktadır. Bu çalışmalarda, nanopartikül farklı konsantrasyonlarının, ısıl olarak aktif olan duvar yönünün, farklı duvar sıcaklıklarının ve çeşitli kanatçık uzunluklarının ve konumlarının erime ve katılaşma süreci üzerindeki etkileri araştırıldı. Kavitenin bazı kısımları farklı sıcaklıklarda tutulurken diğer kısımları yalıtımlı olarak incelendi. Nanopartikül katkılı faz değiştiren malzemenin (Nanoparticle Enhanced Phase Change Material, NePCM) termofiziksel özellikleri hem sıcaklığa hem de faza bağlıdır. Hesaplanan sonuçlar, dikkate alınan parametrelerin erime/katılaşma hızı ve depolanan/serbest bırakılan enerji üzerinde önemli etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Doğal taşınım, erime ve katılaşma sürecince önemli bir rol oynamaktadır. Erime hızının, saf PCM'e nanopartikül ilave edildiğinde ve PCM içerisine kanatçık yerleştirildiğinde önemli ölçüde arttığı görülmektedir. Buna ek olarak, ısıtılan duvar sıcaklığı arttırıldığında erime oranının önemli derecede arttığı görülmektedir. Isıtılan/soğutulan duvarın yönü değiştirildiği zaman hem erime hem de katılaşma oranı önemli ölçüde değişmektedir.

In this thesis, melting and solidification of phase change material (PCM) in a square cavity are investigated numerically. Low conductivity of PCM may significantly affect the melting and solidification performance and so limits their applications where fast charging or discharging rate is required. In order to enhance heat transfer rate in PCM, several techniques have been proposed such as dispersing highly thermal conductive particles in PCM and adding fins. This thesis consists of four different numerical studies in which different situations are examined. In these studies, the effect of different concentrations of nanoparticle, orientation of thermally activated wall, different wall temperatures and various fin length and position on the melting and solidification process is investigated. Some parts of the cavity are kept at different temperatures while the other parts are insulated. The thermophysical properties of nanoparticle enhanced phase change materials (NePCM) are considered to be both temperature and phase dependent. The computed results showed that the considered parameters have significant effect on the melting/solidification rate and stored/released energy. The natural convection plays an important role in the melting and solidification process. Melting rates increase significantly by adding nanoparticles to the base PCM and by embedding the fin into the PCM. When the heated wall temperature increases the melting rate enhances considerably. When the direction of the heated/cooled wall is changed, both the melting and the solidification rate vary considerably.