Nghiên cứu thực nghiệm hiệu suất nhiệt của hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt tiềm tàng hình trụ nhiều ống theo chiều dọc

Springer Science and Business Media LLC
Gang Shen1, Xiaolin Wang2, Jiguo Yu1, Yuejing Bin1, Shuncong Zhong1, Shengqiang Yang3, Jianguo Wang3
1School of Mechanical and Resource Engineering, Wuzhou University, Wuzhou, 543002, China
2School of Engineering, University of Tasmania, Hobart, TAS 7001, Australia
3School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou, China

Tóm tắt

Tóm tắtThiết kế nhiều ống trong hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt tiềm tàng (LHTES) dạng vỏ và ống đã nhận được sự quan tâm đáng kể nhờ vào những lợi ích hứa hẹn trong việc nâng cao hiệu suất lưu giữ nhiệt. Trong bài báo này, các hệ thống LHTES hình trụ đơn và nhiều ống đã được nghiên cứu thực nghiệm. Trước tiên, nghiên cứu này đã so sánh thực nghiệm các đặc tính nhiệt giữa bộ trao đổi nhiệt nhiều ống (MTHX) và bộ trao đổi nhiệt đơn (STHX). Các tham số hình học của STHX phù hợp với một miền hình trụ ảo trong MTHX, tương tự như mô hình ống đơn được hình thành bằng cách đơn giản hóa giải pháp số để nghiên cứu MTHX. Dữ liệu thực nghiệm sau đó đã được sử dụng để xác thực mô hình số hóa đơn giản thường được sử dụng trong tài liệu, mô hình này chuyển đổi vấn đề nhiều ống thành một mô hình ống đơn bằng cách hình thành một miền hình trụ ảo cho mỗi ống trong hệ thống MTHX. Kết quả cho thấy có sự khác biệt đáng chú ý trong các đặc tính nhiệt giữa STHX thực và miền STHX hình trụ ảo trong hệ thống MTHX. Sự so sánh cho thấy mô hình số hóa đơn giản không thể phản ánh chính xác hiệu suất nhiệt của hệ thống MTHX. Một nghiên cứu thực nghiệm hoặc mô hình số ba chiều là cần thiết cho phân tích nhiệt của các vấn đề nhiều ống. Thứ hai, ảnh hưởng của số lượng ống trong MTHX đã được nghiên cứu thực nghiệm. Kết quả cho thấy rằng việc tăng số lượng ống làm tăng cả tốc độ nạp và xả mà không ảnh hưởng đến sự đối lưu tự nhiên. Cấu hình năm ống giảm thời gian nạp và xả tổng cộng xuống 50% so với cấu hình hai ống. Cuối cùng, ảnh hưởng của các tham số vận hành chất lỏng dẫn nhiệt (HTF) đến hiệu suất hệ thống đã được đánh giá trên hệ thống MTHX năm ống. Kết quả cho thấy việc áp dụng nhiệt độ HTF cao hơn đã cải thiện đáng kể hiệu suất nạp. Thời gian nạp giảm tới 41% khi nhiệt độ HTF tăng từ 70 lên 80 °C. Trong khi đó, sự thay đổi lưu lượng HTF từ 5 đến 20 L/phút cho thấy ảnh hưởng rõ nét hơn đến quá trình nạp so với quá trình xả do các cơ chế truyền nhiệt chiếm ưu thế khác nhau.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Abreha BG, Mahanta P, Trivedi G (2020) Thermal performance evaluation of multi-tube cylindrical LHS system. Appl Therm Eng 179:115743. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115743

Agyenim F, Eames P, Smyth M (2010) Heat transfer enhancement in medium temperature thermal energy storage system using a multitube heat transfer array. Renew Energy 35:198–207. https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.03.010

Agyenim F (2016) The use of enhanced heat transfer phase change materials (PCM) to improve the coefficient of performance (COP) of solar powered LiBr/H2O absorption cooling systems. Renew Energy 87:229–239. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.10.012

Al-Maghalseh M, Mahkamov K (2018) Methods of heat transfer intensification in PCM thermal storage systems: review paper. Renew Sust Energ Rev 92:62–94. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.064.

Anish R, Mariappan V, Mastani Joybari M (2019) Experimental investigation on the melting and solidification behavior of erythritol in a horizontal shell and multi-finned tube latent heat storage unit. Appl Therm Eng 114194. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114194

Bhagat K, Prabhakar M, Saha SK (2018) Estimation of thermal performance and design optimization of finned multitube latent heat thermal energy storage. J Energy Storage 19:135–144

Caron-Soupart A, Fourmigué J-F, Marty P, Couturier R (2016) Performance analysis of thermal energy storage systems using phase change material. Appl Therm Eng 98:1286–1296

Dandotiya D, Banker N (2017) Numerical investigation of heat transfer enhancement in a multitube thermal energy storage heat exchanger using fins. Numer Heat Transfer, Part A: Applications 72:389–400

Dhanapal B, Sathyamurthy R, Kabeel AE, Thakur AK (2022) Optimization of thermal efficiency on solar parabolic collectors using phase change materials — experimental and numerical study. Environ Sci Pollut Res 29:14719–14732. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16705-1

Erek A, Dincer I (2008) An approach to entropy analysis of a latent heat storage module. Int J Therm Sci 47:1077–1085

Esapour M, Hosseini MJ, Ranjbar AA, Bahrampoury R (2016a) Numerical study on geometrical specifications and operational parameters of multi-tube heat storage systems. Appl Therm Eng 109:351–363. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.083

Esapour M, Hosseini MJ, Ranjbar AA, Pahamli Y, Bahrampoury R (2016b) Phase change in multi-tube heat exchangers. Renew Energy 85:1017–1025. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.07.063

Esapour M, Hamzehnezhad A, RabienatajDarzi AA, Jourabian M (2018) Melting and solidification of PCM embedded in porous metal foam in horizontal multi-tube heat storage system. Energy Conv Manag 171:398–410. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.05.086

Ezan MA, Ozdogan M, Erek A (2011) Experimental study on charging and discharging periods of water in a latent heat storage unit. Int J Therm Sci 50:2205–2219. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2011.06.010

Fang Y, Niu J, Deng S (2018) Numerical analysis for maximizing effective energy storage capacity of thermal energy storage systems by enhancing heat transfer in PCM. Energy Build 160:10–18

Han G-S, Ding H-S, Huang Y, Tong L-G, Ding Y-L (2017) A comparative study on the performances of different shell-and-tube type latent heat thermal energy storage units including the effects of natural convection. Int Commun Heat Mass 88:228–235

Joybari MM, Seddegh S, Wang X, Haghighat F (2019) Experimental investigation of multiple tube heat transfer enhancement in a vertical cylindrical latent heat thermal energy storage system. Renew Energy 140:234–244

Kabbara M, Groulx D, Joseph A (2016) Experimental investigations of a latent heat energy storage unit using finned tubes. Appl Therm Eng 101:601–611. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.12.080

Kalapala L, Devanuri JK (2018) Influence of operational and design parameters on the performance of a PCM based heat exchanger for thermal energy storage–a review. J Energy Storage 20:497–519

Kousha N, Hosseini MJ, Aligoodarz MR, Pakrouh R, Bahrampoury R (2017) Effect of inclination angle on the performance of a shell and tube heat storage unit – an experimental study. Appl Therm Eng 112:1497–1509. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.10.203

Kousha N, Rahimi M, Pakrouh R, Bahrampoury R (2019) Experimental investigation of phase change in a multitube heat exchanger. J Energy Storage 23:292–304. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.03.024

Luo K, Yao F-J, Yi H-L, Tan H-P (2015) Lattice boltzmann simulation of convection melting in complex heat storage systems filled with phase change materials. Appl Therm Eng 86:238–250. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.04.059

Mishra DK, Bhowmik C, Bhowmik S, Pandey KM (2022) Property-enhanced paraffin-based composite phase change material for thermal energy storage: a review. Environ Sci Pollut Res 29:43556–43587. https://doi.org/10.1007/s11356-022-19929-x

Modi N, Wang X, Negnevitsky M (2022) Melting and solidification characteristics of a semi-rotational eccentric tube horizontal latent heat thermal energy storage. Appl Therm Eng 214:118–812. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118812

Modi N, Wang X, Negnevitsky M (2023) Numerical investigation into selecting the most suitable shell-to-tube diameter ratio for horizontal latent heat thermal energy storage. Energy Sustain Dev 73:188–204. https://doi.org/10.1016/j.esd.2023.02.004

Murray RE, Groulx D (2014a) Experimental study of the phase change and energy characteristics inside a cylindrical latent heat energy storage system: Part 1 consecutive charging and discharging. Renew Energy 62:571–581

Murray RE, Groulx D (2014b) Experimental study of the phase change and energy characteristics inside a cylindrical latent heat energy storage system: Part 2 simultaneous charging and discharging. Renew Energy 63:724–734. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.10.004

Naveenkumar R, Ravichandran M, Mohanavel V, Karthick A, Aswin LSRL, Priyanka SSH, Kumar SK, Kumar SP (2022) Review on phase change materials for solar energy storage applications. Environ Sci Pollut Res 29:9491–9532. https://doi.org/10.1007/s11356-021-17152-8

Niyas H, Prasad S, Muthukumar P (2017a) Performance investigation of a lab-scale latent heat storage prototype – numerical results. Energy Conv Manag 135:188–199

Niyas H, Rao CRC, Muthukumar P (2017) Performance investigation of a lab-scale latent heat storage prototype – experimental results. Sol Energy 155:971–984. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.07.044

Pirasaci T, Goswami DY (2016) Influence of design on performance of a latent heat storage system for a direct steam generation power plant. Appl Energy 162:644–652. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.105

Pizzolato A, Sharma A, Ge R, Maute K, Verda V, Sciacovelli A (2019) Maximization of performance in multi-tube latent heat storage – optimization of fins topology, effect of materials selection and flow arrangements. Energy. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.02.155

Rathod MK, Banerjee J (2015) Thermal performance enhancement of shell and tube latent heat storage unit using longitudinal fins. Appl Therm Eng 75:1084–1092

Rubitherm Technologies GmbH (2022) RT 60 Data Sheet, https://www.rubitherm.eu/en/index.php/productcategory/organische-pcm-rt, Accessed 26 November 2022

Seddegh S, Wang X, Henderson AD, Xing Z (2015) Solar domestic hot water systems using latent heat energy storage medium: a review. Renew Sust Energ Rev 49:517–533

Seddegh S, Wang X, Henderson AD (2016) A comparative study of thermal behaviour of a horizontal and vertical shell-and-tube energy storage using phase change materials. Appl Therm Eng 93:348–358. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.107

Seddegh S, Wang X, Joybari MM, Haghighat F (2017) Investigation of the effect of geometric and operating parameters on thermal behavior of vertical shell-and-tube latent heat energy storage systems. Energy 137:69–82

Seddegh S, Tehrani SSM, Wang X, Cao F, Taylor RA (2018) Comparison of heat transfer between cylindrical and conical vertical shell-and-tube latent heat thermal energy storage systems. Appl Therm Eng 130:1349–1362

Shen G, Wang X, Chan A (2019a) Experimental investigation of heat transfer characteristics in a vertical multi-tube latent heat thermal energy storage system. Energy Procedia 160:332–339. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.165

Shen G, Wang X, Chan A, Cao F, Yin X (2019b) Study of the effect of tilting lateral surface angle and operating parameters on the performance of a vertical shell-and-tube latent heat energy storage system. Sol Energy 194:103–113. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.10.077

Shen G, Wang X, Chan A, Cao F, Yin X (2020) Investigation on optimal shell-to-tube radius ratio of a vertical shell-and-tube latent heat energy storage system. Sol Energy 211:732–743. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.10.003

Shukla A, Buddhi D, Sawhney RL (2009) Solar water heaters with phase change material thermal energy storage medium: A review. Renew Sust Energ Rev 13:2119–2125. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.01.024

Tehrani SSM, Taylor RA, Saberi P, Diarce G (2016) Design and feasibility of high temperature shell and tube latent heat thermal energy storage system for solar thermal power plants. Renew Energy 96:120–136

Trp A, Lenic K, Frankovic B (2006) Analysis of the influence of operating conditions and geometric parameters on heat transfer in water-paraffin shell-and-tube latent thermal energy storage unit. Appl Therm Eng 26:1830–1839

Yusuf Yazıcı M, Avcı M, Aydın O, Akgun M (2014) Effect of eccentricity on melting behavior of paraffin in a horizontal tube-in-shell storage unit: an experimental study. Sol Energy 101:291–298. https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.01.007

Zheng Z-J, Xu Y, Li M-J (2018) Eccentricity optimization of a horizontal shell-and-tube latent-heat thermal energy storage unit based on melting and melting-solidifying performance. Appl Energy 220:447–454. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.126

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Thông tin tác giả