Latent Thermal Energy Storage (LTES) has drawn attention because the technology is a simple and cost-efficient method to store large amounts of energy. Latent energy is either stored or released when the material inside the LTES undergoes phase-change. As LTES operates at a constant temperature it can be utilized in several fields such as waste heat management, building insulation, storage of solar energy and electronic cooling to name a few. An obstacle to widespread use of LTES is its low energy recharge and discharge rate due to the phase-change materials (PCM) thermophysical properties, namely thermal conductivity. PCMs such as fatty acids, salt hydrates and paraffins are potential materials for domestic application because of their melting temperature and are especially affected by low thermal conductivity.The objective is to numerically model a Latent Thermal Energy Storage and simulate the melting and solidification process with different boundary conditions, and afterwards analyze how it impacts natural convection, heat transfer rates, and the solid-liquid interface. Special attention will be given to natural convection as a change in its strength can have a large impact on heat transfer. Optimization and enhancing the rate of heat transfer is important as it improves LTES effectiveness.The geometry used in the numerical model is two-dimensional with 50 mm in width and 120 mm in height. The heat transfer surface area is the 120 mm wall. Four cases are examined; two of which are melting and two of solidification. The geometry is identical in all cases but placed in either a vertical or horizontal orientation.Transient simulations are performed using ANSYS Fluent which is a computational fluid dynamics software tool. The geometrical model used for ANSYS mimics the experimental setup that Kamkari and Shokouhmand (2014) built to analyze melting in a rectangular enclosure. This allows for a comparison between numerical data and experimental observations in one of the melting cases.The comparison between the numerical and experimental results show good agreement as the solid-liquid interface is nearly identical and the amount of liquid in the enclosure differs by less than 5 percent after two-hundred minutes. Natural convection is present in all cases to a varying degree, and the amount of phase-change correlates to its strength and duration. During melting convection is the main mode of heat transfer in both orientations, but in the vertical case the strength tapers off as time progresses. The horizontal orientation produces a natural convection for the entire duration of the simulation therefore leading to a higher melting rate.The solidification process entails conduction as the dominant mode of heat transfer. In the horizontal orientation there is no detectable natural convection. The vertical position shows convection in the early stages of solidification but disappears quickly. As a result there is a higher amount of solid material in the vertical orientation by the end of the simulation. / Latent värme energilagring(LTES) har fått ökad uppmärksamhet eftersom teknologin är en simpel och kostnad-effektiv metod att lagra stora mängder energi. Latent värme lagras eller frigörs när materialet inuti LTES byter fas. Eftersom LTES bibehåller en konstant temperatur har den flera användningsområden inom isolering, solfångare och elektronisk kylning för att nämna några. Ett hinder till utspridd användning av LTES är den långsamma laddnings- och urladdningshastigheten på grund av fasbytesmaterialets(PCM) ämnesegenskaper, nämligen termisk konduktivitet. Låg termisk konduktivitet drabbar PCM som fettsyror, salthydrater och paraffin som är potentiella material för många LTES applikationer på grund av deras smälttemperatur.Målet är att numeriskt modellera en LTES och simulera smält och stelningsprocessen med olika randvillkor, och därefter analysera hur dessa påverkar naturlig konvektion, värmeöverföring och smältkonturen. Extra uppmärksamhet ges till naturlig konvektion eftersom en ändring i dess styrka kan ha en stor påverkan på värmeöverföringen. Att försöka optimera värmeöverföringen är viktig då det kommer öka LTES attraktivitet för termisk energilagring.Geometrin som används i den numeriska modellen är två-dimensionell med 50 mm i bredd och 120 mm i höjd. Värmeöverföringsarean är väggen som är 120 mm. Fyra fall examineras: två smältfall och två stelningsfall. Geometrin var identisk under alla fall men placeras i antingen en vertikal eller horisontell orientering.Transienta simuleringar utfördes i ANSYS Fluent som är en computational fluid dynamics mjukvara. Modellen liknar Kamkari, Shokouhmand (2014) experimentella uppsättning som byggdes för att analysera PCM smältning i en rektangulär behållare. Detta gjordes för att få möjligheten till att jämföra numerisk data till experimentella observationer i ett av fallen.Jämförelsen mellan simuleringens och experimentets resultat visar god likhet eftersom både smältkonturen och mängden vätska i behållaren är snarlika, samt skiljer sig mindre än 5% efter två-hundra minuter. Naturlig konvektion närvarar i alla fall, och mängden fasbyte korrelerar till dess styrka och varaktighet. Under smältning är konvektion den huvudsakliga drivaren av värmeöverföring i båda orienteringar, men i det vertikala fallet minskar styrkan under simuleringen. Det horisontala fallet producerar konvektion under hela simuleringen vilket leder till en högre smälthastighet jämfört med den vertikala.I stelningsprocessen är konduktion den huvudsakliga drivaren av värme. Det horisontella fallet visar ingen konvektion. I den vertikala positionen finns tecken på konvektion i det tidiga skedet, men minskar snabbt. Därför finns det mer fast materiel i den vertikala positionen vid slutet av simuleringen på grund av konvektion vid starten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-226727 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Olrog, Robert |
| Publisher | KTH, Energiteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; EGI_2017:2043 |
Page generated in 0.0026 seconds