Performance analysis of rotating latent heat storage system

Abstract

In recent years, shell and tube latent heat thermal energy storage system (LHTESS) with phase changing materials (PCM) are used to store energy. The major drawback of latent heat storage system is due to low thermal conductivity of PCM the heat transfer is low. In this study, a 2-dimensional horizontal shell and tube latent heat storage system is considered, the rotation is implemented to accelerate charging process of the system. ANSYS FLUENT 2022 R2 software is used for the simulation and calculation. Paraffin wax (n-octadecane) and water are used as PCM and hot fluid (HTF) respectively. The simulation and calculation are carried out for 0.5 rpm, 1 rpm and 1.5 rpm and these results are compared with stationary counterpart. The result show that rotation accelerate melting process. The percentage thermal enhancement between rotation and stand stand still for 0.5 rpm, 1 rpm and 1.5 rpm are 8%, 18.61% and 25.38% respectively.

В останні роки для зберігання енергії використовуються кожухові та трубчасті приховані теплові системи накопичення теплової енергії (LHTESS) з матеріалами, що змінюють фазу (PCM). Основним недоліком прихованої системи накопичення тепла є те, що через низьку теплопровідність PCM теплопередача низька. У даному дослідженні розглядається 2-вимірна горизонтальна оболонка і трубчаста система прихованого зберігання тепла, обертання якої реалізовано для прискорення процесу зарядки системи. Для моделювання та розрахунку використовується програмне забезпечення ANSYS FLUENT2022 R2. Парафін (n-октадекан) і вода використовуються як PCM і гаряча рідина (HTF) відповідно. Для проведення чисельного моделювання робляться деякі припущення і застосовуються спрощення до системи. Рідка фаза PCM розглядається як нестисливе, ньютонівське, гомогенне і ізотропне середовище, а радіаційна теплопередача вважається незначною в порівнянні з природним конвекційним теплообміном. Сила плавучості через зміну щільності в залежності від температури під час плавлення PCM моделюється за допомогою наближення Буссінеска. З огляду на наближення Буссінеска, обсягними розширеннями PCM також нехтують, і природна конвекція приймається ламінарною. Для розв'язання задачі чисельним способом використовується метод двовимірної ентальпійної пористості. Моделювання та розрахунок проводяться для 0,5 об/хв, 1 об/хв та 1,5 об/хв і ці результати порівнюються зі стаціонарним аналогом . Отримані результати показують, що обертання прискорює процес плавлення. Висновки, зроблені в результаті дослідження свідчать про те, що обертання матиме негативний ефект до тих пір, поки не утвориться достатня кількість розплавленого PCM.