SUPERVISOR
AliAkbar AlemRajabi,Mohsen DavazdahEmami
علی اکبر عالم رجبی (استاد راهنما) محسن دوازده امامی (استاد مشاور)
STUDENT
Iman Amrollahi
ایمان امراللهی بیوکی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Design and construction of a zeolite thermal energy storage system and experimental investigation of effective different parameters on its performance
In recent years, due to population growth and technological advancement, demand for energy has increased. With the reduction and limitation of access to energy resources, energy storage in the world is important today. Among the energy storage methods, thermal energy storage is more investigated. Thermal energy storage systems can play an important role in reducing our demand for fossil fuels. One of the things that can be effective in storing thermal energy is the use of thermal energy storage property of zeolite materials. In this project, the design and construction of a laboratory prototype of a zeolite thermal energy storage system with zeolite X13, and the study and analysis of the impact of various parameters on its performance have been addressed. In the construction of this device, a rechargeable zeolite storage reactor was used, a blower, a humidifier, and three thermocouples were used to measure the temperature, and a speedometer was used to measure the air flow rate to the reactor. After making the device, the experiments were carried out to examine and analyze the effect of various parameters on the performance of the system. The parameters studied include dehydration time, dehydration temperature, inlet air flow rate, inlet air moisture content, the effect of uniform velocity of air, which has not been considered in other studies and the repeatability of a specific zeolite sample performance. Using these experiments and analyzes, it can be concluded in short that increasing the dehydration time increases the maximum durability of the heat power of zeolite during the hydration process and does not affect the maximum value of the generated sensible heat power of zeolite during the hydration process, increasing the dehydration temperature to 180 °C for zeolite does not affect the maximum amount of generated sensible heat power by zeolite. In addition, the effect of dehydration temperature above 180 °C on the porous zeolite structure was investigated using BET test. It was concluded that charging temperature above 180 °C significantly reduces porosity of the zeolite. However, for any type of zeolite with a specified value, there is a dehydration time and temperature that is sufficient for complete dehydration of zeolite. In this study, the dehydration time is 6 hours and the dehydration temperature is 120 °C. Increasing the air flow rate to the reactor reduces the difference in temperature of the inlet and outlet of the reactor during the hydration process, but significantly increases the maximum amount of generated sensible thermal power, In this study, by doubling the flow rate of the inlet air, the difference between the inlet and outlet temperature of the reactor is reduced by 5°C, but the amount of the generated sensible heat power increased from 125 watts to 180 watts. Increasing the moisture content of the inlet air into the reactor increases the maximum amount of generated sensible heat power by the zeolite, but the durability of this maximum heat power reduces, Increasing the relative humidity of the inlet air from 60 – 70% to 80 – 84%, the maximum amount of the generated sensible heat power increased from 120 watts to 180 watts, but the stability time of this maximum heat power decreased by almost 100 minutes. The uniform airflow profile of the inlet air into the reactor during the hydration process increases the total generated heat power of zeolite during the hydration process. At the end, a certain amount of zeolite was placed three times under the hydration and dehydration process, and the result was that three times the hydration and dehydration process had no effect on the maximum generated sensible thermal energy and the total generated sensible thermal power. Keywords Thermal Energy Storage, Zeolite 13X, Dehydration, Hydration.
در سال های اخیر به دلیل افزایش جمعیت و پیشرفت در تکنولوژی تقاضا برای انرژی افزایش یافته است. با کاهش و محدودیت در دسترسی به منابع انرژی، ذخیره انرژی در جهان امروزه اهمیت یافته است. در میان روشهای ذخیره انرژی، ذخیره انرژی گرمایی بیشتر مورد توجه قرار دارد. سیستمهای ذخیره انرژی گرمایی میتوانند نقش مهمی را در کاهش تقاضای ما به سوختهای فسیلی ایفا کنند. یکی از مواردی که میتواند در جهت ذخیره انرژی گرمایی موثر واقع شود استفاده از خاصیت ذخیره انرژی گرمایی مواد زئولیتی میباشد. در این پروژه به طراحی و ساخت یک نمونه آزمایشگاهی سیستم ذخیرهساز انرژی گرمایی زئولیتی با زئولیت X13 ، و بررسی و تحلیل تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد آن، پرداخته شده است. در ساخت این دستگاه از یک راکتور نگهداری زئولیت شارژ شده، یک دمنده، یک دستگاه رطوبتساز و به منظور اندازهگیری دما در سه نقطه از سه ترموکوپل و برای اندازهگیری سرعت هوای ورودی به راکتور از یک سرعتسنج استفاده شده است. پس از ساخت دستگاه آزمایشهای موردنظر به منظور بررسی و تحلیل تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد دستگاه انجام گرفته است. پارامترهای مورد بررسی شامل مدت زمان واجذب، دمای واجذب، میزان دبی هوای ورودی، میزان رطوبت هوای ورودی، تاثیر سرعت یکنواخت هوای ورودی که در پژوهشهای دیگر به آن توجه نشده و میزان تکرارپذیری عملکرد یک نمونه مشخص زئولیت میباشد. با استفاده از این آزمایشها و تحلیلهای مربوطه، بصورت خلاصه میتوان گفت افزایش مدت زمان واجذب باعث افزایش مدت زمان پایداری بیشینه توان گرمایی زئولیت طی فرآیند جذب شده و تاثیری بر مقدار بیشینه توان گرمایی محسوس تولیدی زئولیت طی فرآیند جذب نمیشود، افزایش دمای واجذب به 180 درجه سانتیگراد برای زئولیت به کار برده شده تاثیری بر مقدار بیشینه توان گرمایی محسوس تولیدی زئولیت نمیگذارد. در ادامه تاثیر دمای واجذب بالاتر از 180 درجه سانتیگراد بر ساختار متخلخل زئولیت با استفاده از تست BET مورد بررسی قرار گرفت و این نتیجه حاصل شد که دمای واجذب بالاتر از 180 درجه سانتیگراد باعث کاهش قابلملاحضه سطح تخلخل زئولیت میشود. اما برای هر نوع زئولیت با مقدار مشخص یک زمان و دمای واجذبی وجود دارد که برای واجذب کامل زئولیت کافی میباشد که در این پژوهش مدت زمان واجذب 6 ساعت و دمای واجذب 120 درجه سانتیگراد میباشد. افزایش دبی هوای ورودی به راکتور باعث کاهش اختلاف دمای ورودی و خروجی از راکتور طی فرآیند جذب شده اما به طور قابلملاحضهای باعث افزایش مقدار بیشینه توان گرمایی محسوس تولیدی میشود، در این پژوهش با دو برابر کردن دبی هوای ورودی تقریباً اختلاف دمای ورودی و خروجی از راکتور 5 درجه سانتیگراد کاهش یافته اما مقدار توان گرمایی محسوس تولیدی بیشینه از 125 وات به 180 وات افزایش یافته است. افزایش رطوبت هوای ورودی به راکتور باعث افزایش مقدار بیشینه توان گرمایی محسوس تولیدی زئولیت شده اما مدت زمان پایداری این بیشینه توان گرمایی را کاهش میدهد، در این پژوهش با افزایش رطوبت هوای ورودی از 60- 70 درصد به 80- 84 درصد مقدار توان گرمایی محسوس تولیدی بیشینه از 120 وات به 180 وات افزایش یافته اما مدت زمان پایداری این توان گرمایی بیشینه تقریباً 100 دقیقه کاهش یافته است. یکنواخت شدن پروفیل سرعت هوای ورودی به راکتور طی فرآیند جذب باعث افزایش توان گرمایی محسوس تولیدی کل زئولیت طی فرآیند جذب میشود. در انتها یک مقدار مشخص زئولیت سه مرتبه تحت فرآیند جذب و واجذب قرار گرفت و این نتیجه بدست آمد که سه مرتبه فرآیند جذب و واجذب تاثیری بر بیشینه توان گرمایی محسوس تولیدی و توان گرمایی محسوس تولیدی کل ندارد. کلمات کلیدی: ذخیره انرژی گرمایی، زئولیت 13X، جذب، واجذب