A numerical study of a conceptual thermal battery

Thumbnail Image

Files

master_Helaakoski_Valtteri_2021.pdf (5.2 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021-10-18

Department

Major/Subject

Mechanical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

52

Series

Abstract

In this work a novel thermal battery is studied numerically. The conceptual thermal battery consists of a Aluminum grid and Phase Change Material (PCM) stored around this grid. The purpose of the investigated heat storage is to increase the power that is achieved while charging or discharging the battery. This power increase is achieved by the Aluminum grid, which conducts heat well due to its high thermal conductivity. The numerical methods and models used in this work are validated against reference data found in literature. In connection with the validation some of heat transfer and fluid dynamics phenomena which are commonly found with PCM's are explained. This work investigates how different temperature levels and geometrical details of the battery affect the charging and discharging power. This is investigated by varying one variable while holding others constant. The results indicate that a denser Aluminum grid provides higher power in both charging and discharging. The power is also increased as temperature differences increase, although the results indicate that for optimal use, one should avoid heating/cooling the battery excessively, as this will degrade performance on the next cycle.

Tässä työssä tutkitaan numeerisin menetelmin lämmön varastoimista uudenlaiseen lämpöakkuun. Lämpöakkukonsepti koostuu alumiiniverkosta ja tämän ympärille varastoidusta faasimuutosmateriaalista (PCM), johon lämpö sitoutuu latentin lämmön muodossa. Tutkitun lämpöakun päätarkoitus on parantaa lämpövarastojen lataamisessa ja purkamisessa saavutettua tehoa. Tämä saavutetaan alumiiniverkolla, joka johtaa lämpöä hyvän lämmönjohtavuutensa myötä kokonaisvaltaisesti koko akkuun nopeasti. Työssä käytettävät numeeriset menetelmät ja mallit validoidaan käyttäen vertailussa aiempia tutkimustuloksia kirjallisuudesta. Validoinnin yhteydessä käydään läpi yleisiä PCM:ien sulamiseen liittyviä virtausmekaniikka - ja lämmönsiirtoilmiöitä, jotka toistuvat työn muissa osissa. Työssä selvitetään, miten eri lämpötilatasot sekä akun sisäinen geometria vaikuttavat saavutettavaan lataus- ja purkutehoon. Tätä tutkitaan varioimalla yhtä suuretta pitäen muut saman aikaisesti vakiona. Työn tulosten myötä selviää, miten eri suureet vaikuttavat saavutettavaan tehoon. Parhaaksi vaihtoehdoksi geometrian osalta paljastuu mahdollisimman tiheä alumiiniverkko. Lämpötilatasojen osalta mahdollisimman suuret lämpötilaerot takaavat suurimman lataus- sekä purkutehon, tosin tulokset osoittavat, että liian suuri jäähtyminen tai lämpeäminen heikentää tehoa seuraavalla lataus- tai purkusyklillä.

Description

Supervisor

Vuorinen, Ville

Thesis advisor

Vuorinen, Ville

Keywords

thermal energy storage, phase change material, CFD, OpenFOAM, melting, latent heat storage

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202110249772

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG