Symulacje procesu ładowania zmiennofazowego akumulatora ciepła oraz eksperymentalna weryfikacja modelu numerycznego

• Autorzy: Pytlik Beata , Smykowski Daniel , Szulc Piotr
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono i omówiono wyniki badań numerycznego modelowania wpływu konstrukcji akumulatora ciepła na jego parametry pracy. Badania polegały na opracowaniu numerycznego modelu akumulatora ciepła, wypełnionego materiałem zmiennofazowym. Model numeryczny opracowano w programie Comsol Multiphysics. Geometria zbudowanego modelu akumulatora odwzorowuje geometrię rzeczywistego akumulatora ciepła, znajdującego się w laboratorium badawczym Katedry Mechaniki, Maszyn, Urządzeń i Procesów Energetycznych Politechniki Wrocławskiej. W celu zweryfikowania wyników otrzymanych na podstawie obliczeń numerycznych przeprowadzono badania laboratoryjne na modelu fizycznym. W trakcie badań rejestrowano temperaturę na wlocie i wylocie z akumulatora oraz w sześciu innych (wskazanych w pracy) punktach wewnątrz akumulatora. Badano proces ładowania i rozładowywania akumulatora, wypełnionego następującymi materiałami: sól o składzie NaNO2 60%, KNO3 40% oraz parafina A53 50% i RT82 50%. Akumulator był cyklicznie ładowany, a następnie rozładowywany strumieniem odpowiednio gorącego oraz zimnego powietrza z nagrzewnicy. Wykonano walidację modelu w odniesieniu do dwóch badanych materiałów. Parametrem, który poddano walidacji była temperatura materiału PCM w punktach odpowiadających miejscom pomiaru temperatury w akumulatorze laboratoryjnym. Założono, że o zgodności wyników symulacji z wynikami pomiarów decyduje średnia różnica temperatur między wartością rzeczywistą i symulowaną w podanych punktach pomiarowych w czasie ładowania akumulatora. Różnica ta wahała się między 1–15% (przy czym największa rozbieżność występowała dla punktu A1), co jest wartością zadowalającą. Na tej podstawie stwierdzono, że opracowany model numeryczny akumulatora w dobrym stopniu odwzorowuje zjawiska i procesy wymiany ciepła między czynnikiem ładującym/rozładowującym a materiałem zmiennofazowym. W dalszej części pracy przeprowadzono analizę rozkładu temperatury w objętości akumulatora dla każdego z zastosowanych materiałów. W celu optymalizacji parametrów pracy akumulatora i wskazania najkorzystniejszego wariantu, przeprowadzono szereg symulacji przy różnych wartościach strumienia (5, 10, 15, 20 m/s) oraz temperatury powietrza (315, 345, 385, 415℃). Na ich podstawie wyznaczano strumień ciepła przekazywany między rurą ożebrowaną a materiałem PCM. Analiza wyników symulacji wykazała jednak, że zmiany tych parametrów nie wpływają na wartość strumienia ciepła.

Słowa kluczowe

PL

akumulator ciepła; modelowanie numeryczne; materiał zmienno-fazowy

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
• Czasopismo: Zeszyty Energetyczne
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 7
• Strony: 71--90
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pytlik Beata

• Politechnika Wrocławska, Katedra Inżynierii Konwersji Energii

autor

Smykowski Daniel

• Politechnika Wrocławska, Katedra Inżynierii Konwersji Energii

autor

Szulc Piotr

• Politechnika Wrocławska, Katedra Inżynierii Konwersji Energii

Bibliografia

• [1] Global energy statistica yearbook, Enerdata, 2019, https://yearbook.enerdata.net/total-energy/world-consumption-statistics.html (dostępny: 08.04.2020).
• [2] Monitor E.S., Latest trends in energy storage, Word Energy Council, 2019.
• [3] Mokrzycki E., Ney R., Siemek J., Światowe zasoby surowców energetycznych - wnioski dla Polski, Rynek Energii 2008, 6, 2-13.
• [4] Brendow K., Global and regional coal demand perspectives to 2030 and beyond sustainable global energy development: The case of coal. Part I: Global analysis, Chapter 6, WEC, Londyn 2004.
• [5] Chmielniak T.J., Energetyka oparta na węglu - konieczność czy strategia?, Karbo 2007, 2, 77-80.
• [6] Gawlik L., Mokrzycki E., Ney R., Możliwości poprawy akceptowalności węgla jako nośnika energii, Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2007, 23(3s), 105-118.
• [7] Mokrzycki E., Perspektywy wykorzystania węgla kamiennego, Górnictwo i Geoinżynieria 2006, 30(3/1).
• [8] Vasyuchkov Yu.F., Unconventional technologies of coal seams extractionad processing, Archives of Mining Sciences 2008, 53(2), 215-220.
• [9] Kochańska E., Determinanty rozwoju odnawialnych źródeł energii, Acta Innovations, Centrum Badań i Innowacji Pro-Akademia, Konstantynów Łódzki 2014.
• [10] Instrukcja rozliczania kosztów zadania dofinansowywanego ze środków WFOŚiGW w Łodzi dla umów zawartych od stycznia 2013.
• [11] Buildings Energy Datebook, 2006.
• [12] Technology roadmap, Internetional Energy Agency, Energy Storage, 2014.
• [13] Fernandes D., Pitie F., Caceres G., Baeyens J., Thermal energy storage: “How previous findings determine current research priorities”, Energy 2012, 39(1), 246-257. DOI: 10.1016/j.energy.2012.01.024.
• [14] Cieślikowska B., Badanie wpływu konstrukcji zmiennofazowego akumulatora ciepła na jego parametry pracy z wykorzystaniem modelowania numerycznego, Praca magisterska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2020.
• [15] Smykowski D., Projektowanie katalizatora do redukcji CO2: Modelowanie Molekularne, Praca magisterska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2010.
• [16] Niezgoda-Żelazko B., The enthalpy-porosity method applied to the modelling of the ice slurry melting process during tube flow, Procedia Engineering 2016, 157, 114-121. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.08.346.
• [17] Zeneli M., Nikolopoulos A., Karellas S., Nikolopoulos N., Ultra-high temperature thermal energy storage, transfer and conversion, Chapter 7 - Numerical methods for solid-liquid phase-change problems, Woodhead Publishing Series in Energy 2021, 165-199. DOI: 10.1016/B978-0-12-819955-8.00007-7.
• [18] Dmitruk A., Naplocha K., Kaczmar J.W., Smykowski D., Pin-fin alloy structures enhancing heat transfer in PCM-based heat storage units, Heat and Mass Transfer 2020, 56, 2265-2271. DOI: 10.1007/s00231-020-02861-6.
• [19] D’Aguanno B., Karthik M., Grace A.N., Floris A., Thermostatic properties of nitrate molten salts and their solar and eutectic mixtures, Scientific Reports 2018, 8, 10485. DOI: 10.1038/s41598-018-28641-1.
• [20] Kawakami M., Suzuki K., Yokoyama S., Takenaka T., Heat capacity measurement of molten NaNO3-NaNO2-KNO3 by drop calorimetry. VII International Conference on Molten Slats, Fluxes and Salts, The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004.
• [21] Lide D., CRC handbook of chemistry and physics, CRC Press Inc., Boca Raton 2005.
• [22] Zhao Q.G., Hu C.X., Liu S.J., Guo H., Wu Y.T., The thermal conductivity of molten NaNO3, KNO3 and their mixtures, Energy Procedia 2017, 143, 774-779. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.12.761.
• [23] Guard U.C., Chemical Hazard Response Information, Department of Transportation, Washington, DC 1999.
• [24] Hasain S.M., Reviev on sustainable thermal energy storage technologies Part 1: Heat storage materials and techniques, Energy Conversion and Management 1998, 39(11), 1127-1138. DOI: 10.1016/S0196-8904(98)00025-9.
• [25] Navier-Stokes Equations, https://www.comsol.com/multiphysics/navier-stokesequations? parent=modeling-conservation-mass-energy-momentum-0402-432-302 (dostępny: 03.12.2020).
• [26] Magazynowanie ciepła - rodzaje magazynów; https://www.cire.pl/artykuly/materialy-problemowe/119630-magazynowanie-ciepla-rodzaje-magazynow (dostępny: 14.11.2021).
• [27] Smykowski D., Lichota J., Thermal analysis of RT-82 paraffin, hydrated sodium sulphide and 4A zeolite, Rynek Energii 2017, 4, 84-90.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).