Vanadyum Redoks Akış Bataryasında akış kanallarının ve kanal geometrilerinin batarya içerisinde gerçekleşen ısı transferi üzerine etkileri

Abstract

Bu tez çalışmasında, Vanadyum Redoks Akış Batarya'sında farklı kanal geometrilerinin batarya potansiyel performansına, türlerin konsantrasyonuna ve batarya içerisinde gerçekleşen ısı transferine etkileri ayrıntılı bir şekilde analiz edilmektedir. Bu analizleri gerçekleştirebilmek için serpantin ve iç içe geçmeli akış alanlarına sahip iki boyutlu iki ayrı model oluşturuldu. Dikdörtgen, kare, daire ve yamuk kesitli kanal geometrileri bu iki ayrı modele tek tek uygulanıp sürekli rejim ve sabit batarya çalışma sıcaklığı için sayısal çözümler gerçekleştirildi. Sayısal çözümlerden elde edilen sonuçlardan, iç içe geçmeli akış alanında farklı kanal geometrilerinin batarya potansiyel performansına çok büyük bir etkisi olmaz iken serpantin akış alanında en yüksek performans yamuk kanal geometrisinden en düşük performans ise kare kanal geometrisinden elde edildi. Kanal geometrilerinin değiştirilmesiyle batarya içerisindeki sıcaklık, serpantin akış alanında yaklaşık 2 K kadar artarken iç içe geçmeli akış alanında bu değer 10 K'e kadar artmaktadır. Bununla birlikte, her iki akış alanında da en düşük tersinir ve tersinmez ısı yoğunlukları yamuk kanal geometrisinden elde edilmektedir. Ayrıca, bu tez çalışmasında, hem serpantin akış alanında hem de iç içe geçmeli akış alanında batarya potansiyel performansı en iyi olan kanal geometrisi için farklı kanal oranlarının bataryadaki ısı transferi üzerine etkileri de araştırıldı. Her iki akış alanında da kanal oranlarının artışıyla tersinir ve tersinmez ısı yoğulukları azalırken ohmik ısı yoğunluklarının arttığı görüldü.

In this thesis, the effects of different channel geometries on the battery potential performance, species concentration, and heat transfer in the Vanadium Redox Flow Battery are analyzed in detail. In order to carry out these analyzes, two different models that were two-dimensional models with serpentine and interdigitated flow fields were developed. Rectangular, square, circular, and trapezoidal channel geometries were separately applied to these two models, and numerical solutions were performed for steady-state and constant operating temperature conditions. The results of the numerical solutions showed that the different channel geometries did not have a great effect on the battery potential performance in the interdigitated flow field. While the highest performance in the serpentine flow field was obtained from the trapezoidal channel geometry, the lowest performance was seen in the square channel geometry. The temperature in the battery increased by about 2 K in the serpentine flow field with changing of the channel geometries, while the temperature in the battery enhanced up to 10 K in the interdigitated flow field. The lowest reversible and irreversible heat sources in both flow fields were obtained from trapezoidal channel geometry. Also in this thesis, the effects of different channel fractions on the heat transfer in the battery were investigated for the channel geometry with the best potential performance in both the serpentine and the interdigitated flow fields. It was achieved that when the irreversible and reversible heat sources decreased with increasing of channel fractions, the ohmic heat sources increased in both flow fields.