Ηλιακή θέρμανση νερού για οικιακές εφαρμογές με χρήση υλικών αλλαγής φάσης (PCM) σε μικροκάψουλες

Abstract

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την θέρμανση νερού για οικιακές χρήσεις με την χρήση των υλικών αλλαγής φάσης (PCM) σε μορφή μικροκαψούλων τοποθετημένες σε δεξαμενή η οποία περιέχει το θερμαινόμενο νερό. Αποτελείται από δύο επιμέρους τμήματα. Το πρώτο μέρος αποτελεί βιβλιογραφική παρουσίαση ενώ το δεύτερο τμήμα αποτελείται από το υπολογιστικό μέρος. Έτσι λοιπόν το πρώτο μέρος αποτελείται από έξι ενότητες. Στην πρώτη ενότητα της παρούσας διπλωματικής γίνεται αναφορά στους λόγους που επιβάλουν την αποθήκευση ενέργειας στις μέρες μας καθώς επίσης και στις μεθόδους αποθήκευσης της ενέργειας και αναλυτικότερα της μηχανικής, ηλεκτρικής και της θερμικής ενέργειας. Στην συνέχεια στην δεύτερη ενότητα αναλύεται η αποθήκευση της αισθητής θερμότητας. Αναλυτικότερα παρουσιάζονται τα υγρά μέσα αποθήκευσης αισθητής θερμότητας και τα στερεά μέσα αποθήκευσης. Στο τρίτο κεφάλαιο της διπλωματικής παρουσιάζεται η αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας, μέσω των υλικών αλλαγής φάσης. Παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των υλικών αλλαγής φάσης καθώς επίσης και οι φυσικές τους και χημικές τους ιδιότητες. Επίσης γίνεται αναφορά των επικρατέστερων μεθόδων μέτρησης των ιδιοτήτων των υλικών αλλαγής φάσης. Τέλος στο παρόν κεφάλαιο εξετάζεται η συμβατότητα των υλικών αλλαγής φάσης με άλλα υλικά, αλλά παρουσιάζονται και οι μέθοδοι με τις οποίες μπορούμε να βελτιώσουμε την θερμική αγωγιμότητά τους. Ύστερα το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται τα μοντέλα προσομοίωσης των υλικών αλλαγής φάσης. Δηλαδή μαθηματικά μοντέλα τα οποία υιοθετούμε ούτως ώστε να προσεγγίσουμε την αλλαγή φάσης που πραγματοποιείται σε αυτά τα υλικά. Επίσης στο παρόν κεφάλαιο αναλύονται και τα προβλήματα συμπεριφοράς που παρουσιάζουν τα υλικά αλλαγής φάσης. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται τα φαινόμενα της υπέρψυξης (Supercooling), το φαινόμενου διαχωρισμού φάσης και η απώλεια των ιδιοτήτων τους σε εκτεταμένους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Στην πέμπτη ενότητα παρουσιάζονται οι τρόποι ενθυλάκωσης των υλικών αλλαγής φάσης καθώς επίσης και τις χαρακτηριστικές ιδιότητες που πρέπει να έχουν τα υλικά συγκράτησής τους. Και τέλος στην έκτη ενότητα παρουσιάζονται συνοπτικά οι εφαρμογές που βρίσκουν τα υλικά αλλαγής φάσης. Το δεύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας όπως προαναφέραμε αποτελεί το υπολογιστικό τμήμα. Αναλυτικότερα στην έβδομη ενότητα υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά κάθε τυπικής ημέρας του κάθε μήνα του έτους. Αρχικά παρουσιάζεται η εγκατάσταση που μελετάμε, η οποία αποτελείται από μία θερμικά μονωμένη δεξαμενή, τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη και τα PCMs σε μορφή μικροκαψούλων τοποθετημένα στην δεξαμενή. Για το υλικό αλλαγή φάσης θεωρούμε ότι αποτελείται από ένα μίγμα παραφινών με χαρακτηριστικές Cp, H και περιοχή αλλαγής φάσης. Και στην συνέχεια υπολογίζονται η ημερήσια θερμοκρασία και η προσπίπτουσα ακτινοβολία στον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη. Στο όγδοο μέρος της διπλωματικής υπολογίζεται με την μέθοδο της ενεργής θερμοχωρητικότητας η ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού αλλαγής φάσης. Υπολογίζεται επίσης η τελική θερμοκρασία την οποία αποκτά το υλικό αλλαγής φάσης και την ωφέλιμη ενέργεια την οποία λαμβάνουμε και λαμβάνονται επίσης τα αντίστοιχα διαγράμματα. Στην συνέχεια μελετάται η συμπεριφορά του συστήματος μεταβάλλοντας τα χαρακτηριστικά της εγκατάστασης. Σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται διπλάσια ποσότητα υλικών αλλαγής φάσης με την χρήση δύο δεξαμενών κατά την διάρκεια των θερινών μηνών, ενώ η λειτουργία της εγκατάστασης κατά την διάρκεια των χειμερινών μηνών παραμένει αμετάβλητη και παρατηρούμε τις θερμοκρασίες τις οποίες αποκτά το υλικό αλλαγής φάσης. Ενώ τέλος η παραπάνω εγκατάσταση εφαρμόζεται σε μία ξενοδοχειακή μονάδα. Τέλος στο ένατο και δέκατο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση διαφορετικών αποθηκευτικών μέσων.

In the following master thesis we examine the heating of water for domestic purposes with the use of microencapsulated phase change materials (PCM), which are placed in a tank containing heat water. It consists of two subsections. The first part is a bibliographic presentation while the second section consists of the computational part. So, the first part consists of six sections. In the first section of this master thesis we mention what leads to the storage of energy in our days as well as methods of energy storage. In addition, the second section discusses sensible heat storage. The third chapter of this master thesis presents latent heat storage through phase change materials. It also presents the classification of phase change materials as well as their physical and chemical properties. Moreover, refers to the prevalent methods for measuring phase change materials' properties. Finally this chapter presents the compatibility of phase change materials with other materials as well as and the methods we can use in order to improve their thermal conductivity. Furthermore, the fourth chapter deals with the simulation models of phase change materials. In other words the mathematical models we adopt so as to reach the phase change which takes place in these materials. Also in this section is also analyzed and the behavior problems that phase change materials have. Specifically, the phenomena of supercooling (Supercooling), the phenomenon of phase separation and the loss of their properties in extensive charge and discharge cycles. The fifth part presents the methods of encapsulation of phase change materials. And finally the sixth section summarizes the applications of phase change materials. The second part of the thesis as stated above is the computational part. Specifically in the seventh section we estimate the characteristics of each formal day of each month of the year. Initially, we present the insulated storage tank, the flat solar collector and the microencapsulated PCMs which are placed in the storage tank. As it concerns the phase change material we consider that it consists of a mixture of paraffins with typical Cp, H and the region of phase change. And then we estimate the daily temperature and incident radiation to the level of solar collector. In the eighth part of the master thesis we estimate the specific heat capacity of phase change material. We also estimate the final temperature that acquires the PCM and the useful energy that we receive.Then we examine the behavior of the system by altering its characteristics. In this case, we use the double amount of the phase change materials by using two tanks during the summer months, while the operation of the system, during the winter months, remains the same and we observe the temperatures which acquires the phase change material, while the above systems applies to a hotel. Finally in the ninth and tenth chapter we compare different storage media.