Ảnh hưởng của việc sắp xếp ống gia nhiệt đến khả năng lưu trữ nhiệt năng tăng cường nano

Energy, Ecology and Environment - Tập 8 - Trang 570-585 - 2023
Benharzallah Boumaza1,2, Abdelghani Laouer3, Mohamed Teggar1, Belkacem Agagna2, Kamal A. R. Ismail4, Müslüm Arıcı5
1Laboratory of Mechanics, Laghouat University, Laghouat, Algeria
2Higher Normal School, Laghouat, Algeria
3LPMCN Laboratory, Faculty of Exact Sciences and Computer Science, University of Jijel, Jijel, Algeria
4Energy Department, State University of Campinas, Campinas, Brazil
5Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Kocaeli University, Kocaeli, Turkey

Tóm tắt

Việc cải thiện hiệu suất nhiệt của hệ thống lưu trữ năng lượng dẫn đến tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải carbon. Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của việc sắp xếp ống đến hiệu suất của hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt trong quá trình nóng chảy của vật liệu thay đổi pha (RT50). Mô hình truyền nhiệt và thay đổi pha dựa trên các phương trình bảo toàn và phương pháp lattice Boltzmann. Ảnh hưởng kết hợp của vị trí thẳng đứng của ống và các hạt nano được nghiên cứu đối với các nồng độ hạt nano và số Rayleigh khác nhau. Sự đối lưu tự nhiên, tỷ lệ khối chảy, lưu trữ nhiệt và thời gian lưu trữ được xem xét và thảo luận. Kết quả cho thấy việc đặt các ống tại đường giữa nằm ngang của khoang là cách sắp xếp tốt nhất để giảm thời gian nạp năng lượng ở mức nhiệt thấp (Ra = 104), trong khi sự dịch chuyển xuống của một ống gia nhiệt mang lại hiệu quả hơn ở mức nhiệt cao (Ra ≥ 105), thời gian nạp năng lượng có thể giảm tới 28%. Kết quả của nghiên cứu này có thể hướng dẫn thiết kế các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt hiệu quả.

Từ khóa

#năng lượng nhiệt #lưu trữ năng lượng #hạt nano #vật liệu thay đổi pha #đối lưu tự nhiên

Tài liệu tham khảo

Ajarostaghi MSS, Poncet S, Sedighi K, Aghajani Delavar M (2019) Numerical modeling of the melting process in a shell and coil tube ice storage system for air-conditioning application. Appl Sci 9:2726. https://doi.org/10.3390/app9132726 Alawadhi EM (2009) A solidification process with free convection of water in an elliptical enclosure. Energy Convers Manag 50:360–364. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2008.09.015 Choi S-K, Kim S-O, Lee T-H, Dohee H (2014) Computation of the natural convection of nanofluid in a square cavity with homogeneous and nonhomogeneous models. Numer Heat Transf a: Applications 65:287–301. https://doi.org/10.1080/10407782.2013.831695 Darzi AR, Farhadi M, Sedighi K (2012) Numerical study of melting inside concentric and eccentric horizontal annulus. Appl Math Model 36:4080–4086. https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.11.033 Filippova O, Hänel D (1998) Grid refinement for lattice-BGK models. J Comput Phys 147:219–228. https://doi.org/10.1006/jcph.1998.6089 Gau C, Viskanta R (1986) Melting and solidification of a pure metal on a vertical wall. J Heat Transf 108:174–181. https://doi.org/10.1115/1.3246884 Habeebullah BA (2007) An experimental study on ice formation around horizontal long tubes. J Int Acad Refrig 30:789–797. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.12.007 Hosseini MJ, Ranjbar AA, Sedighi K, Rahimi M (2012) A combined experimental and computational study on the melting behavior of a medium temperature phase change storage material inside shell and tube heat exchanger. Int Commun Heat Mass Transf 39:1416–1424. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2012.07.028 Huo Y, Rao Z (2017) The quasi-enthalpy based lattice Boltzmann model for solid-liquid phase change. Appl Therm Eng 115:1237–1244. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.196 Ismail KAR, Henŕiquez JR (2002) Numerical and experimental study of spherical capsules packed bed latent heat storage system. Appl Therm Eng 22:1705–1716. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(02)00080-7 Ismail KAR, Quispe OC, Henŕiquez JR (1999) A numerical and experimental study on a parallel plate ice bank. Appl Therm Eng 19:163–193. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(98)00024-6 Ismail KAR, Henríquez JR, da Silva TM (2003) A parametric study on ice formation inside a spherical capsule. Int J Therm Sci 42:881–887. https://doi.org/10.1016/S1290-0729(03)00060-7 Ismail KAR, Filho LMdS, Lino FAM (2012) Solidification of PCM around a curved tube. Int J Heat Mass Transf 55:1823–1835. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.11.031 Jiaung W-S, Jeng-Rong H, Chun-Pao K (2001) Lattice Boltzmann method for the heat conduction problem with phase change. N Numer Heat Transf b: Fundamentals 39:167–187. https://doi.org/10.1080/10407790150503495 Kadivar MR, Moghimi MA, Sapin P, Markides CN (2019) Annulus eccentricity optimisation of a phase-change material (PCM) horizontal double-pipe thermal energy store. J Energy Storage 26:101030. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101030 Kashani S, Ranjbar AA, Abdollahzadeh M, Sebti S (2012) Solidification of nano-enhanced phase change material (NEPCM) in a wavy cavity. Heat Mass Transf 48:1155–1166. https://doi.org/10.1007/s00231-012-0965-2 Laouer A, Al-Farhany K (2022) Melting of nano-enhanced phase change material in a cavity heated sinusoidal from below: Numerical study using lattice Boltzmann method. Heat Transfer 51:5952–5970. https://doi.org/10.1002/htj.22576 Laouer A et al (2021) Effect of Magnetic field and nanoparticle concentration on melting of cu-ice in a rectangular cavity under fluctuating temperatures. J Energy Storage 36:102421. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102421 Laouer A, Teggar M, Tunçbilek E, Arıcı M, Hachani L, Ismail KAR (2022) Melting of hybrid nano-enhanced phase change material in an inclined finned rectangular cavity for cold energy storage. J Energy Storage 50:104185. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104185 Mehryan SAM, Tahmasebi A, Izadi M, Ghalambaz M (2020) Melting behavior of phase change materials in the presence of a non-uniform magnetic-field due to two variable magnetic sources. Int J Heat Mass Transf 149:119184. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119184 Mohamad A (2011) Lattice boltzmann method, vol 70. Springer, Berlin Mousavi Ajarostaghi SS, Sedighi K, Delavar MA, Poncet S (2019) Influence of geometrical parameters arrangement on solidification process of ice-on-coil storage system. SN Appl Sci 2:109. https://doi.org/10.1007/s42452-019-1912-3 Nedjem K, Teggar M, Hadibi T, Arıcı M, Yıldız Ç, Ismail KAR (2021) Hybrid thermal performance enhancement of shell and tube latent heat thermal energy storage using nano-additives and metal foam. J Energy Storage 44:103347. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103347 Pahamli Y, Hosseini MJ, Ranjbar AA, Bahrampoury R (2018) Inner pipe downward movement effect on melting of PCM in a double pipe heat exchanger. Comput Appl Math 316:30–42. https://doi.org/10.1016/j.amc.2017.07.066 Pakzad K, Mousavi Ajarostaghi SS, Sedighi K (2019) Numerical simulation of solidification process in an ice-on-coil ice storage system with serpentine tubes. SN Appl Sci 1:1258. https://doi.org/10.1007/s42452-019-1316-4 Samanta R, Chattopadhyay H, Guha C (2022) A review on the application of lattice Boltzmann method for melting and solidification problems. Comput Appl Math 206:111288. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111288 Sugawara M, Beer H (2009) Numerical analysis for freezing/melting around vertically arranged four cylinders. Heat Mass Transf 45:1223–1231. https://doi.org/10.1007/s00231-009-0492-y Sugawara M, Komatsu Y, Beer H (2016) Melting of ice stuck on cylinders placed horizontally in a water flowing duct. Heat Mass Transf 52:693–700. https://doi.org/10.1007/s00231-015-1578-3 Teggar M et al (2021) Performance enhancement of latent heat storage systems by using extended surfaces and porous materials: a state-of-the-art review. J Energy Storage 44:103340. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103340 Teggar M et al (2022) A comprehensive review of micro/nano enhanced phase change materials. J Therm Anal Calorim 147:3989–4016. https://doi.org/10.1007/s10973-021-10808-0 Vajjha RS, Das DK, Namburu PK (2010) Numerical study of fluid dynamic and heat transfer performance of Al2O3 and CuO nanofluids in the flat tubes of a radiator. Int J Heat Fluid Flow 31:613–621. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.02.016 Xuan Y, Roetzel W (2000) Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids. Int J Heat Mass Transf 43:3701–3707. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(99)00369-5 Yan YY, Zu YQ (2008) Numerical simulation of heat transfer and fluid flow past a rotating isothermal cylinder—A LBM approach. Int J Heat Mass Transf 51:2519–2536. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.07.053 Yazici MY, Avci M, Aydin O, Akgun M (2014) On the effect of eccentricity of a horizontal tube-in-shell storage unit on solidification of a PCM. Appl Therm Eng 64:1–9. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.12.005 Yin X, Liang G, Wang J, Shen S (2022) Vapor condensation on micropillar structured surface with lattice Boltzmann method. Int Comm Heat Mass Transf 138:106357. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106357 Yodono T, Yaji K, Yamada T, Furuta K, Izui K, Nishiwaki S (2022) Topology optimization for the elastic field using the lattice Boltzmann method. Comput Math Appl 110:123–134. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2022.01.032