DESIGN AND OPTIMIZATION OF PCM-AIR COLD ENERGY STORAGE DEVICE  TO BE USED FOR PEAK ELECTRICITY SHAVING

Göker TÜRKAKAR

doi:https://doi.org/10.47480/isibted.979300

Article Details

DESIGN AND OPTIMIZATION OF PCM-AIR COLD ENERGY STORAGE DEVICE TO BE USED FOR PEAK ELECTRICITY SHAVING

Authors:

Göker TÜRKAKAR

Publisher:

Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği

Main Topics:

Other branches of engineering

Journal:

Journal of Thermal Science and Technology 2021 Vol.41 Issue 1, pp.23-36

Document Type:

Article

Publication Date:

4/2021

Document Language:

English

Document ID (Org No.):

2000478442

Frequency:

Bi-Annual

pISSN:

1300-3615

DOI:

https://doi.org/10.47480/isibted.979300

Abstract:

 

Parametric analysis and dimensional optimization study for the melting process of the phase changing material placed in cold energy storage devices have been conducted. Phase changing material, PCM, is used to store the cold energy. A cross-flow tubular PCM-air heat exchanger is used. An electricity peak shaving for a summer day in Antalya for 5 hours (10:00-15:00) is aimed. The cooling load of a room (33 m2) in Antalya is taken as a reference value. A minimum cooling load of 2850 W is supplied throughout 5 hours to maintain the building's comfort temperature. Contrary to the studies handling air velocity constant, it is varied during melting in the present study to satisfy the minimum cooling load. The melting process is analyzed using a numerical model. A computational algorithm is implemented in MATLAB environment. The numerical model is validated for the same conditions and the dimensions with an analytical model presented in the literature. A transient analysis has been employed, and the problem is discretized for the time and space domain. A dimensional optimization algorithm is employed. A parameter “performance ratio/ cooling index”, the ratio of total cooling to fan energy consumption, is defined. Spacing between the tubes giving the maximum performance ratio is sought for aligned and staggered tube bank arrangements using this algorithm. The best performance ratio is obtained at 0.2 m/s initial velocities for both arrangements. In addition, the effect of sizing/arrangement of the tubes, PCM mass, and thermal conductivity of the PCM on the melting characteristics is investigated. As a result of increasing the thermal conductivity from 0.2 W/(m·K) to 0.6 W/(m·K), the performance ratios are raised 4.58 and 3.52 times for aligned and staggered orders, respectively. It is calculated that 10 kg PCM can be saved thanks to enhancing the thermal conductivity of the PCM.

 

Soğuk enerji depolama cihazındaki faz değişim malzemesinin ergime sürecinin parametrik analiz ve boyutsal optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Faz değişim malzemesi FDM, soğuk enerjiyi depolamak için kullanılır. Çapraz akışlı borulu FDM-hava ısı değiştiricisi kullanılmıştır. Antalya’da bir yaz günü için 5 saat boyunca elektrikte pik talebi törpüleme amaçlanmıştır. Antalya’da 33m2’lik bir odanın soğutma yükü referans değer olarak alınmıştır. Binanın 5 saat boyunca sıcaklığını sabit tutmak için gerekli soğutma yükü olan minimum 2850 W’lık soğutma sağlanmıştır Hava hızını sabit olarak ele alan çalışmaların aksine; bu çalışmada minimum soğutma yükünü karşılayabilmek amacıyla ergime süreci boyunca hava hızı değiştirilmiştir. Ergime süreci sayısal bir model ile analiz edilmiştir. Hesaplama algoritması MATLAB ortamında uygulanmıştır. Sayısal model aynı boyutlar ve koşullar için literatürdeki bir çalışma ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Zamana bağlı analiz yürütülmüş olup, problem zaman ve konum için ayrıklaştırılmıştır. Boyutsal optimizasyon algoritması ele alınmıştır. Toplam ısı geçişinin toplam fan enerji tüketimine oranı olarak bilinen “performans oranı/ soğutma indeksi” parametresi tanımlanmıştır. Bu algoritma ile sıralı ve kademeli demeti dizilimleri için performans oranını maksimize eden borular arası optimum mesafeler araştırılmıştır. En iyi performans oranı her iki düzen için de 0.2 m/s başlangıç hızı için elde edilmiştir. Ayrıca boruların boyut/dizilim, FDM kütlesi ve ısı iletim katsayısının FDM ergime karakteristiğine etkisi incelenmiştir. FDM ısı iletim katsayısının 0.2 W/(m·K)’den 0.6 W/(m·K)’ye çıkarılması sonucu performans katsayısının sıralı ve kademeli dizilim için sırasıyla 4.58 ve 3.52 kat arttığı bulundu. Isı iletim katsayısının iyileştirilmesi sonucu FDM’den 10 kg tasarruf edilebileceği hesaplandı.

Article Details

DESIGN AND OPTIMIZATION OF PCM-AIR COLD ENERGY STORAGE DEVICE TO BE USED FOR PEAK ELECTRICITY SHAVING

Authors: Göker TÜRKAKAR

Publisher: Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği

Main Topics: Other branches of engineering

Journal: Journal of Thermal Science and Technology 2021 Vol.41 Issue 1, pp.23-36

Document Type: Article

Publication Date: 4/2021

Document Language: English

Document ID (Org No.): 2000478442

Frequency: Bi-Annual

pISSN: 1300-3615

DOI: https://doi.org/10.47480/isibted.979300

Issues

Authors:

Göker TÜRKAKAR

Publisher:

Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği

Main Topics:

Other branches of engineering

Journal:

Journal of Thermal Science and Technology 2021 Vol.41 Issue 1, pp.23-36

Document Type:

Article

Publication Date:

4/2021

Document Language:

English

Document ID (Org No.):

2000478442

Frequency:

Bi-Annual

pISSN:

1300-3615

DOI:

https://doi.org/10.47480/isibted.979300