Numerical investigation of radial-flow packed-bed thermal energy storage systems: Effects of particle size, layer ratio and aspect ratio
Radyal akışlı paket dolgulu termal enerji depolama sistemlerinin sayısal incelenmesi: Parçacık çapı, katman oranı ve boyut oranının etkiler
- Tez No: 974533
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR TAYLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışması, radyal akışlı paket dolgulu yapıdaki termal enerji depolama (TED) sistemlerinin termal ve hidrolik davranışlarını sayısal olarak incelemektedir. Sürdürülebilir ve verimli enerji sistemlerine yönelik artan ihtiyaç doğrultusunda, özellikle Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (CSP) santralleri ve endüstriyel atık ısı geri kazanım süreçleri ile entegrasyonu hedeflenen TED sistemlerinin tasarım optimizasyonu kritik hale gelmiştir. Çalışmada, gözenekli ortam içerisindeki akış ve ısı transferini doğru şekilde modellemek amacıyla COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak, iki boyutlu eksenel simetrik geometri altında Yerel Termal Termodinamik Dengesizlik (LTNE) ve Brinkman-Forchheimer modelleri uygulanmıştır. Analizler kapsamında, parçacık boyutu, katman oranı ve boyut oranı gibi temel tasarım parametrelerinin; çıkış sıcaklığı, ortalama yatak sıcaklığı ve basınç kaybı gibi performans göstergeleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Farklı konfigürasyonlar arasında tutarlı karşılaştırmalar yapılabilmesi amacıyla özel olarak geliştirilmiş, Python tabanlı bir gözeneklilik hesaplama aracı da kullanılmıştır. Tek katmanlı ve iki katmanlı sistemler farklı geometrik ve malzeme koşullarında incelenmiştir. Sayısal modelin doğruluğu, literatürde yer alan ve deneysel verileri bulunan radyal TED prototipi ile karşılaştırılarak test edilmiş; %8–13 aralığında değişen hata oranları ile yüksek uyum gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, parçacık çapının 16 mm'den 2 mm'ye düşürülmesiyle çıkış sıcaklığının 10–12 °C, ortalama yatak sıcaklığının ise benzer miktarda arttığını, buna karşılık basınç kaybının tek katmanlı durumda yaklaşık 2 Pa'dan 250 Pa'ya yükseldiğini göstermektedir. İki katmanlı konfigürasyonlarda basınç kaybı katman dağılımına bağlı olarak 1 Pa ile 80 Pa arasında değişmiş; bu koşullarda çıkış sıcaklığında yaklaşık 10 °C, ortalama yatak sıcaklığında ise 15 °C'ye kadar farklılıklar gözlenmiştir. Boyut oranı (aspect ratio) değişimleri de belirgin etkiler yaratmış; 0.6'dan 1.0'a çıkarılması durumunda ortalama yatak sıcaklıkları yaklaşık 20–25 °C azalmış ve ısıl performans düşmüştür. Bu nicel sonuçlar, radyal paket dolgulu TED sistemlerinin geometrik ve parçacık ölçeğindeki parametrelere karşı hassasiyetini ortaya koyarak, ısıl performans ile hidrolik direnç arasındaki dengenin önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a numerical study focused on the thermal and hydraulic behavior of high-temperature thermal energy storage (TES) systems utilizing radial-flow packed-bed configurations. With increasing demand for sustainable and efficient energy systems, optimizing TES design has become essential, particularly for integration with Concentrated Solar Power (CSP) plants and industrial heat recovery processes. The study employs a two-dimensional axisymmetric model developed in COMSOL Multiphysics, using the Local Thermal Non-Equilibrium (LTNE) and Brinkman-Forchheimer models to accurately simulate porous media flow and heat transfer. The analysis investigates how critical design parameters, such as particle size, layer ratio, and aspect ratio affect key performance metrics, including outlet temperature, average bed temperature, and pressure drop. A custom porosity estimation tool was also implemented to ensure realistic and consistent inputs across different configurations. Both single-layer and two-layer designs were tested under varying geometric and material conditions. Verification against numerical results from a well-documented radial TES prototype demonstrated strong agreement, with relative errors within 8%–13%, confirming the reliability of the model. The results indicate that reducing the particle size from 16 mm to 2 mm increases the outlet temperature by 10–12 °C and the average packed-bed temperature by a similar margin, while the pressure drop rises from about 2 Pa to nearly 250 Pa in single-layer cases. In two-layer configurations, the pressure drop varied between 1 Pa and 80 Pa, depending on the distribution of layers. Under these conditions, the outlet temperature changed by approximately 10 °C, while the average packed-bed temperature differed by up to 15 °C. Aspect ratio variations also had a significant impact: increasing AR from 0.6 to 1.0 reduced the thermal response, with average bed temperatures decreasing by about 20–25 °C. These quantitative results highlight the sensitivity of radial packed-bed TES systems to geometric and particle-scale parameters, defining the balance between thermal performance and hydraulic resistance.
Benzer Tezler
- Ağaç şekilli dal kanallı zıt ve paralel akışlı ısı değiştiricisinin ısı transferi ve akış karakteristiklerinin incelenmesi
Tree shaped by bifurcation channels parallel and counter flow of heat exchanger heat transfer and flow investigation characteristics
ALPEREN BUĞRA ÇOLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSAK KOTCİOĞLU
- Experimental and numerical investigation of flow under radial gates
Radyal kapaklardaki akımın sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
MAHMUT TANYERİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE KÖKEN
PROF. DR. İSMAİL AYDIN
- Radyal fanlarda karma kanat geometrisinin fan performansına etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of mixed blade geometry on fan performance in radial fans
HALİL KARTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAmasya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT UĞUR
DR. ÖĞR. ÜYESİ KORHAN ÖKTEN
- Numerical and experimental investigation of radial and tree-shaped vascular channels for self-cooling strcutures
Kendini-soğutan yapılar için radyal ve ağaç-şekilli vasküler kanalların sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
ONUR YENİGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDAL ÇETKİN
- Experimental and numerical investigation of radial-radialswirlers under different confinement conditions
Radyal-radyal döndürücülerin farklı hapsetme koşullarında deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
FIRAT KIYICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA PERÇİN