Yπολογιστική προσομοίωση δοχείου αποθήκευσης θερμικής ενέργειας με υλικά αλλαγής φάσης (ΥΑΦ)

Abstract

Τα συστήματα αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας αποτελούν σημαντικό και αναπόσπαστο κομμάτι στην εξοικονόμηση ενέργειας. Η παρούσα εργασία αποτελεί υπολογιστική προσομοίωση και ανάλυση ενός συστήματος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας με Υλικά Αλλαγής Φάσης (Phase Change Materials). Η εργασία έγινε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Υπολογιστική Μηχανική» κατά τη διάρκεια του έτους 2011-2012. Συγκεκριμένα, πρόκειται για έναν κυλινδρικό αγωγό θερμού νερού οικιακής χρήσης, στο εσωτερικό του οποίου έχουν τοποθετηθεί κυλινδρικοί σωλήνες που περιέχουν PCM . Γίνεται προσομοίωση της ροής νερού στον αγωγό και της μεταφοράς θερμότητας από τα PCM στο νερό. Με τη βοήθεια του υπολογιστικού κώδικα ANSYS CFX 13.0 πραγματοποιείται μοντελοποίηση του συστήματος του κυλινδρικού αγωγού, των φυσικών ιδιοτήτων του προβλήματος και των οριακών συνθηκών στον όγκο ελέγχου. Από την ανάλυση του πεδίου ροής και του θερμικού πεδίου που αναπτύσσεται μέσα στη δεξαμενή κατά τη διαδικασία αποφόρτισης του συστήματος, εξετάζεται η ικανότητα αποθήκευσης θερμότητας από τη χρήση ΥΑΦ και εκτιμώνται οι όποιες διαφοροποιήσεις από την αλλαγή κάποιας παραμέτρου. Τα δύο πρώτα κεφάλαια αποτελούν θεωρητικά στοιχεία για τα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας και για τα ΥΑΦ και τις ιδιότητες τους. Τα επόμενα κεφάλαια αναφέρονται στην υπολογιστική προσομοίωση με το 3ο να δίνει πληροφορίες για το πρόγραμμα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής ANSYS CFX, το 4ο να παρουσιάζει το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε και το 5ο τα υπολογιστικά αποτελέσματα και τα συμπεράσματά μας. Η υπολογιστική προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για να μελετηθεί κυρίως η συμπεριφορά των ΥΑΦ με σε ένα σύστημα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας . Τα πρώτα αναλυτικά αποτελέσματα αφορούν το πεδίο ροής εντός της δεξαμενής και δίνεται μια ποιοτική ερμηνεία. Στη συνέχεια δίνονται αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης, από τη μελέτη των ποιοτικών χαρακτηριστικών του συστήματος που έχει προσομοιωθεί με ΥΑΦ σε σύγκριση με άλλα συστήματα και εξάγονται συμπεράσματα για την αποτελεσματική επίδραση του PCM στην αποθήκευση θερμότητας. Ακολουθεί η αξιολόγηση του μοντέλου μέσω της σύγκρισης με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα για το συγκεκριμένο σύστημα. Ύστερα έπονται μια σειρά από παραμετρικές αναλύσεις που βοηθούν στην περαιτέρω κατανόηση των ιδιαιτεροτήτων του προβλήματος.

The latent heat storage systems are an important and integral part in saving energy. This thesis is a computational simulation and analysis of a thermal energy storage system with Phase Change Materials. This work is part of the PostGraduate Master “Computational Mechanics” during the academic year 2011-2012. Specifically , the work is about a domestic hot water cylindrical tank, within which are mounted cylindrical PVC tubes containing PCM. It is a simulation of the water flow in the tank and the heat transfer from the PCM to water. The modeling of the system , the definition of the physical properties of the problem and the determination of the boundary conditions on the control volumes becomes using the computational software ANSYS CFX 13.0. From analysis of the water flow and the thermal field in the tank during the water system discharge , the heat storage possibilities of including PCM are considered and any variations of changing a physical parameter are estimated. The first two chapters are theoretical points on thermal energy storage systems, phase change materials and their properties. The next chapters refer to the computational simulation. The third gives information about the CFD program ANSYS CFX, the following chapter presents the model which is used for the numerical simulation and the last contains the computational results and our concluding remarks.