Optymalizacja konstrukcji akumulatora ciepła z materiałem zmiennofazowym

• Autorzy: Szulc Piotr , Smykowski Daniel , Redzicki Romuald , Wójs Kazimierz

Warianty tytułu

EN

Optimization of the design of a heat storage unit with phase change material

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wśród szeregu technologii magazynowania energii cieplnej jednym z obiecujących rozwiązań jest wykorzystanie przemiany fazowej, najczęściej przemiany ciało stałe – ciecz. Entalpia (ciepło utajone) takiego procesu jest znacząco większa niż ciepło jawne. Kluczową przewagą akumulacji ciepła w przemianie fazowej jest możliwość jej zastosowania w różnym zakresie temperatur w zależności od zastosowanego materiału zmiennofazowego. Technologia magazynowania ciepła w przemianie fazowej ma jednak również pewne ograniczenia. Istotną wadą dużej części materiałów zmiennofazowych jest niski współczynnik przewodzenia ciepła, który w przypadku np. soli nieorganicznych jest na poziomie 0,5 – 0,7 W/m·K, a z kolei dla parafin wynosi zaledwie 0,2 W/m·K. Jednym ze sposobów intensyfikacji procesu wymiany ciepła pomiędzy medium dostarczającym ciepło a materiałem PCM jest zastosowanie odpowiedniej konstrukcji akumulatora ciepła, m.in. rur ożebrowanych. Na wymianę ciepła w akumulatorze wpływ ma szereg czynników związanych z jego konstrukcją, m.in. ilość, rozmieszczenie oraz wymiary rur ożebrowanych oraz proporcje gabarytów akumulatora. W artykule przeprowadzono analizę wpływu przedstawionych czynników na parametry cieplno–przepływowe akumulatora ciepła i przedstawiono zoptymalizowany akumulator o pojemności cieplnej 10GJ.

EN

Among large variety of thermal energy storage technologies, one of the promising solutions is to take advantage of the phase change process, usually solid–liquid. The enthalpy (latent heat) of this process is significantly larger comparing to sensible heat. An essential advantage of latent heat storage is the possibility of its application in different temperature range, depending on the phase change material used. This technology is however charged with several drawbacks. An important disadvantage of numerous PCMs is their low thermal conductivity coefficient, which ranges from 0.2 W/m·K in case of paraffins to 0.5-0.7 W/m·K for inorganic salts. One of the solutions to enhance the heat transfer between the heat transfer fluid and the PCM material is to tune the design of the heat storage unit, e.g. to use finned pipes. The heat transfer in a heat storage unit is affected by several factors, i.e. internal design, configuration and size of heat transfer pipes as well as dimensions ratio. In presented paper, the impact of these factors on thermal and flow parameters has been analyzed and an optimized design of a heat storage unit of 10 GJ capacity has been proposed.

Słowa kluczowe

PL

akumulatory ciepła; materiały zmiennofazowe; optymalizacja; modelowanie

EN

heat storage unit; phase change material; optimization; modelling

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 4
• Strony: 15--20
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szulc Piotr

• Zakład Mechaniki i Systemów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno–Energetycznym Politechniki Wrocławskiej

autor

Smykowski Daniel

• Zakład Mechaniki i Systemów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno–Energetycznym Politechniki Wrocławskiej

autor

Redzicki Romuald

• Zakład Mechaniki i Systemów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno–Energetycznym Politechniki Wrocławskiej

autor

Wójs Kazimierz

• Zakład Mechaniki i Systemów Energetycznych na Wydziale Mechaniczno–Energetycznym Politechniki Wrocławskiej

Bibliografia

• [1] Lichota J., Lepszy M., Wójs K.: Badania efektywności akumulacji ciepła w materiale o zmiennej fazie. Rynek Ciepła 2012: materiały i studia. Praca zbiorowa / pod red. Henryka Kapronia. Lubin: Kaprint, 2012. s. 405–419.
• [2] Wójs K., Lichota J., Bechtold Z., Lepszy M.: Matematyczne modelowanie i zastosowania akumulacji odpadowego ciepła z elektrowni w materiałach z przemianą fazową. Rynek Energii 2011, nr 5, s. 66–73
• [3] Lichota, J. Lepszy, M. Wójs, K.: Dynamika akumulacji ciepła kul PCM. Rynek Energii 2013, nr 2, s.97–103
• [4] Starościk J.: Magazynowanie ciepła – czy problem jest już rozwiązany? Polski Instalator Numer Specjalny 3/2015
• [5] Pintaldi S., Perfumo C., Sethuvenkatraman S., White S., Rosengarten G.: A review of thermal energy storage technologies and control approaches for solar cooling, Renewable and Sustainable Energy Reviews 41 (2015) 975–995
• [6] Zalba B., Marın J., Cabeza L.F., Mehling H.: Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering 23 (2003) 251–283
• [7] Oertel D.: Energiespeicher – Stand und Perspektiven, TAB, Arbeitsbericht Nr. 123, Februar 2008
• [8] Gomez J. C.: High-Temperature Phase Change Materials (PCM) Candidates for Thermal Energy Storage (TES) Applications, Milestone Report NREL/TP-5500-51446, September 2011, Contract No. DE-AC36-08GO28308
• [9] Jankowski N. R., McCluskey F. P.: A review of phase change materials for vehicle component thermal buffering. Applied Energy 113 (2014) 1525–1561
• [10] Agyenim F., Hewitt N., Eames P., Smyth M.: A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 615–628
• [11] Hyun D. C., Levinson N. S., Jeong U., and Xia Y.: Emerging Applications of Phase-Change Materials (PCMs): Teaching an Old Dog New Tricks. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3780 – 3795
• [12] Nomura T., Zhu C., Sheng N., Saito G., Akiyama T.: Microencapsulation of Metal-based Phase Change Material for High-temperature Thermal Energy Storage. Sci. Rep. 5, 9117; (2015)
• [13] Guo C. X., Ma X. L. Yang L.: PCM/ graphite foam composite for thermal energy storage device. 2015 Global Conference on Polymer and Composite Materials (PCM 2015), IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 87 (2015) 012014
• [14] Jin Y., Wan Q., Ding Y.: PCMs heat transfer performance enhancement with expanded graphite and its thermal stability, Procedia Engineering 102 (2015) 1877 – 1884
• [15] Liu M., Saman W., Bruno F.: Review on storage materials and thermal performance enhancement techniques for high temperature phase change thermal storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 2118– 2132
• [16] Foong C. W., Hustad J. E., Løvseth J., Nydal O. J.: Numerical Study of a High Temperature Latent Heat Storage (200-300°C) Using Eutectic Nitrate Salt of Sodium Nitrate and Potassium Nitrate, Proceedings of the COMSOL Conference 2010

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).