kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Numerical Investigation of Latent Thermal Storage in a Compact Heat Exchanger Using Mini-Channels
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.ORCID iD: 0000-0002-8059-1546
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology.ORCID iD: 0000-0001-6982-2879
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Heat and Power Technology. KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology, Applied Thermodynamics and Refrigeration.ORCID iD: 0000-0001-9556-552X
2021 (English)In: Applied Sciences, E-ISSN 2076-3417, Vol. 11, no 13, p. 5985-, article id 5985Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper aims to numerically investigate the thermal enhancement of a latent thermal energy storage component with mini-channels as air passages. The investigated channels in two sizes of internal air passages (channel-1 with d(h) = 1.6 mm and channel-2 with d(h) = 2.3 mm) are oriented vertically in a cuboid of 0.15 x 0.15 x 0.1 m(3) with RT22 as the PCM located in the shell. The phase change is simulated with a fixed inlet temperature of air, using ANSYS Fluent 19.5, with a varying number of channels and a ranging air flow rate entering the component. The results show that the phase change power of the LTES improves with by increasing the number of channels at the cost of a decrease in the storage capacity. Given a constant air flow rate, the increase in the heat transfer surface area of the increased number of channels dominates the heat transfer coefficient, thus increasing the mean heat transfer rate (UA). A comparison of the channels shows that the thermal performance depends largely on the area to volume ratio of the channels. The channel type two (channel-2) with a slightly higher area to volume ratio has a slightly higher charging/discharging power, as compared to channel type one (channel-1), at a similar PCM packing factor. Adding fins to channel-2, doubling the surface area, improves the mean UA values by 15-31% for the studied cases. The variation in the total air flow rate from 7 to 24 L/s is found to have a considerable influence, reducing the melting time by 41-53% and increasing the mean UA values within melting by 19-52% for a packing factor range of 77.4-86.8%. With the increase in the air flow rate, channel type two is found to have considerably lower pressure drops than channel type one, which can be attributed to its higher internal hydraulic diameter, making it superior in terms of achieving a relatively similar charging/discharging power in exchange for significantly lower fan power. Such designs can further be optimized in terms of pressure drop in future work, which should also include an experimental evaluation.

Place, publisher, year, edition, pages
MDPI AG , 2021. Vol. 11, no 13, p. 5985-, article id 5985
Keywords [en]
PCM, mini-channels, air, melting, solidification
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-298952DOI: 10.3390/app11135985ISI: 000672298700001OAI: oai:DiVA.org:kth-298952DiVA, id: diva2:1581853
Note

QC 20210726

Available from: 2021-07-26 Created: 2021-07-26 Last updated: 2022-06-25Bibliographically approved
In thesis
1. Heat Transfer Enhancement of Latent Thermal Energy Storage in Rectangular Components
Open this publication in new window or tab >>Heat Transfer Enhancement of Latent Thermal Energy Storage in Rectangular Components
2022 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Latent Thermal Energy Storage (LTES) is an interesting choice to storethermal energy in a sustainable energy system. The primary benefit of LTESis the relatively high latent heat of fusion of the materials, known as PhaseChange Materials (PCM), used in such a system as the storage medium.However, as the thermal conductivity of PCMs is often very low, there is aneed to enhance the rate of heat transfer within the charging/dischargingprocess and to improve the thermal performance of the LTES systems.This thesis addresses the enhancing effect of extending heat transfer area inrectangular LTES enclosures. A key contribution of this thesis is acomprehensive visualization of the phase change processes for an organicPCM, including solidification and melting, constrained as well asunconstrained, known as Close-Contact Melting (CCM), in a cavity with andwithout fins. Observations have been carried out for fins of different lengthsand numbers with a varying angle of inclination, and a comprehensive analysisin terms of phase change time and thermal power is conducted.The observations show fins are more influential in solidification than inmelting, reducing the solidification time by 80% and increasing the meanpower by 395%, at a cost of 10% loss in the extracted energy. In contrast, inmelting, fins have a modest effect in enhancing the process. The relativeenhancement effect of fin is higher in constrained melting than inunconstrained melting. In a case with maximum enhancement, a reduction by52% in the constrained melting time and a relative enhancement in the meanpower by 90% is achieved at a cost of 9% loss in the stored energy. As thevolume fraction of fin increases, the discrepancies in melting time betweenthe constrained and unconstrained melting diminishes.A numerical model for solidification and constrained melting is validatedbased on the experiments, and a more inclusive sensitivity analysis of finparameters is performed. The enhancing effect of different parameters on thephase change time and the thermal power is analyzed and the relatively moreeffective measures are identified. Analyzing the simulation data withdimensionless parameters for a cavity oriented horizontally and enhancedwith vertical fins, overall dimensionless groups for solidification and constrained melting have been obtained. The dimensionless groupscontribute in general to achieving a better understanding of fins parametersand to facilitating the LTES designs.In addition, this thesis investigates a novel idea of extending the surface areavia incorporating mini-channels into LTES enclosures, used as passages forair as a low thermal conductive Heat Transfer Fluid (HTF). The mini-scaleinternal hydraulic diameter of the mini-channels and their high external areato-volume ratios make a potential for dual enhancement on both the PCMside and the HTF side. An existing design and a conceptual one with thepossibility of adding fins on the PCM side, capable of being manufactured viaproduction methods of extrusion and Additive Manufacturing (AM),respectively, have been simulated and studied.The two mini-channel types provide considerable enhancements in the rateof heat transfer for a PCM heat exchanger working with air. The degree ofenhancement increases as the air flow rate increases, at the cost of anincreasingly higher pressure drop. Regarding this, increasing the number ofchannels is identified as a more effective enhancing measure than adding finsto the PCM side. In addition, the conceptual design with a higher internalhydraulic diameter and considerably a higher aspect ratio has a lower pressuredrop than the existing design, charging/discharging the thermal energy at asimilar rate but with a lower fan power. More optimized designs withminimization of pressure drop, contribute to paving the way in facilitation ofthe utilization of the enhanced air-PCM heat exchanger in variousapplications.

Abstract [sv]

Latent termisk energilagring (LTES) är ett intressant val för att lagra termisk energi i ett hållbart energisystem. Den primära fördelen med LTES är den relativt höga smältvärmen av materialet, känt som fasändringsmaterial (PCM), som används som lagringsmedium i ett sådant system. I och med att värmekonduktiviteten hos PCM ofta är mycket låg finns det ett behov av att öka värmeöverföring-hastigheten för laddnings-/urladdningsprocessen samt att förbättra LTES-systemens termiska prestanda.  Denna avhandling tar upp den förstärkande effekten av att utöka värmeöverföringsytor i rektangulära LTES-behållare. Ett nyckelbidrag i denna avhandling är en omfattande visualisering av fasförändringsprocesserna i ett organiskt PCM, inklusive frysning/stelning och smältning, både som begränsad (fastnat) smältning och obegränsad (rörande) smältning, även känt som Close-Contact Melting (CCM), i en behållare med och utan flänsar. Observationer har gjorts för flänsar av olika längd samt antal, med varierande lutningsvinkel och en omfattande analys av processerna vad gäller fasändringstid och medeleffekt genomförs. Observationerna visar att flänsar är mer effektiva vid stelning än vid smältning, vilket minskar stelningstiden med 80% och ökar medeleffekten med 395%, dock minskar den utvunna energin med 10%. Däremot har flänsar vid smältning en måttlig effekt vad gäller att förbättra processen. Den relativa förstärkningseffekten av flänsarna är högre vid begränsad smältning än vid obegränsad smältning. I ett fall med maximal förbättring uppnås en minskning på 50% av den begränsade smälttiden och en relativ förbättring av medeleffekten på 90%, samtidigt som den lagrade energin minskar med 9%. När volymfraktionen av flänsarna ökar, minskar skillnaderna i smälttid mellan den begränsade och obegränsade smältningen. En numerisk modell för stelning och begränsad smältning valideras baserat på experimenten, och en mer utförlig känslighetsanalys av flänsparametrar utförs. Den förstärkande effekten av olika parametrar på fasändringstiden och den termiska effekten analyseras och de relativt effektivare åtgärderna identifieras. Genom att analysera simuleringsdata med dimensionslösa parametrar för en kavitet orienterad horisontellt och förstärkt med vertikala flänsar, har övergripande dimensionslösa grupper för stelning och begränsad smältning erhållits. De dimensionslösa grupperna bidrar generellt till att uppnå en bättre förståelse av flänsarnas parametrar och till att underlätta LTES-designerna. Denna avhandling undersöker dessutom en ny idé om att utöka ytan genom att introducera minikanaler i LTES-värmeväxlare, som används som passager för luft som en lågt värmeledande värmeöverföringsvätska (HTF). Minikanalernas interna hydrauliska diameter och deras höga externa area-tillvolym- förhållanden skapar en potential för dubbel förbättring på både PCMsidan och HTF-sidan. En befintlig design och en konceptuell med möjlighet att lägga till flänsar på PCM-sidan, som kan tillverkas via tillverkningsmetoder extrusion respektive Additive Manufacturing (AM), har simulerats och studerats. Den termiska prestandan hos de två minikanaltyperna ger en avsevärd förbättring av medeleffekten för en PCM-värmeväxlare som arbetar med luft. Förbättringen ökar när luftflödet ökar, till priset av ett allt högre tryckfall. Angående detta identifieras ökning av antalet kanaler som en mer effektiv förbättrande åtgärd än att lägga till flänsar på PCM-sidan. Dessutom har den konceptuella designen med en större inre hydraulisk diameter och större proportioner ett lägre tryckfall än den befintliga designen, samt genomför laddning/urladdning av termisk energi i samma takt men med lägre fläkteffekt. Mer optimerade konstruktioner med minimering av tryckfall bidrar till att underlätta användning av den förbättrade luft-PCM värmeväxlaren i olika applikationer.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2022. p. 181
Series
TRITA-ITM-AVL ; 2022:7
National Category
Energy Engineering
Research subject
Energy Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-309999 (URN)978-91-8040-173-9 (ISBN)
Public defence
2022-04-13, F3 / https://kth-se.zoom.us/j/61582597458, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency
Available from: 2022-03-17 Created: 2022-03-17 Last updated: 2022-09-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full text

Authority records

Abdi, AmirChiu, Justin NingWeiMartin, Viktoria

Search in DiVA

By author/editor
Abdi, AmirChiu, Justin NingWeiMartin, Viktoria
By organisation
Energy TechnologyHeat and Power TechnologyApplied Thermodynamics and Refrigeration
In the same journal
Applied Sciences
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 305 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf