KaydedilenlerDerginizi ekleyin

Dergiler / Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi / 2026 / Cilt: 16

Halkasal Aralık TES Sistemlerinde Grafit Matris-FDM Kompozitlerinin Farklı Çalışma Koşullarındaki Deşarj Karakteristikleri

Discharging Characteristics of Graphite Matrix–PCM Composites in a Tube-in-Shell TES System under Different Operating Conditions

Kadirhan Semiz(SAMSUN UNIVERSITY, FACULTY OF ENGINEERING, DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING)0009-0002-4985-8203
Sare Mıtıncık(SAMSUN UNIVERSITY, FACULTY OF ENGINEERING, DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING)0000-0003-0149-8990
Mustafa Yusuf Yazıcı(Samsun Üniversitesi)0000-0002-1076-9265
Sayfa
—
Yayın Tarihi
2026-06-29
🏛️Bu makalenin bibliyografik verileri ve tam metin bağlantısı DergiPark üzerinden sağlanmıştır.
DergiPark Kaydı ↗
✨

Yapay Zeka Hızlı Bakış & Çıkarımlar

AI Insight
⚡ TL;DR(1 Cümlede Hızlı Çıkarım)

Bu çalışmada, farklı konfigürasyon ve çalışma koşulları altında, halkasal geometriye sahip bir sistemde grafit matris-FDM kompozitin deşarj karakteristikleri sayısal olarak incelenmiş ve elde edilen bulgular küçük ölçekli bir deney düzeneği ile doğrulanmıştır. 23 kg/m³, 50 kg/m³ ve 100 kg/m³ yoğunluklara sahip grafit matrisler, parafini depolama malzemesi olarak kapsüllemek için kullanılmıştır.

📌 3 Maddede Bu Makale

🎯
Amaç & Hipotez:Faz değiştiren maddelerin (FDM) düşük ısıl iletkenliği, termal enerji depolama (TED) sistemlerindeki uygulanabilirliğini önemli ölçüde sınırlamaktadır.
📊
Temel Bulgular & Veri:Bu sınırlamayı gidermek amacıyla, karbon bazlı gözenekli matrisler yüksek iletkenliğe sahip ısıl ağlar oluşturmak için yaygın olarak kullanılmakta; bu sayede toplam ısıl iletkenlik artırılmakta, ısı geri kazanımı hızlandırılmakta ve sistem verimliliği iyileştirilmektedir.
💡
Sonuç & Katkı:Bu çalışmada, farklı konfigürasyon ve çalışma koşulları altında, halkasal geometriye sahip bir sistemde grafit matris-FDM kompozitin deşarj karakteristikleri sayısal olarak incelenmiş ve elde edilen bulgular küçük ölçekli bir deney düzeneği ile doğrulanmıştır. 23 kg/m³, 50 kg/m³ ve 100 kg/m³ yoğunluklara sahip grafit matrisler, parafini depolama malzemesi olarak kapsüllemek için kullanılmıştır.
🔬Tür:Uygulamalı Anket & Alan Araştırması
📍Kapsam:Genişletilmiş Akademik Örneklem
⚙️Değişkenler:termal enerji depolama · deşarj · kKatılaşma

Özet

Faz değiştiren maddelerin (FDM) düşük ısıl iletkenliği, termal enerji depolama (TED) sistemlerindeki uygulanabilirliğini önemli ölçüde sınırlamaktadır. Bu sınırlamayı gidermek amacıyla, karbon bazlı gözenekli matrisler yüksek iletkenliğe sahip ısıl ağlar oluşturmak için yaygın olarak kullanılmakta; bu sayede toplam ısıl iletkenlik artırılmakta, ısı geri kazanımı hızlandırılmakta ve sistem verimliliği iyileştirilmektedir. Bu çalışmada, farklı konfigürasyon ve çalışma koşulları altında, halkasal geometriye sahip bir sistemde grafit matris-FDM kompozitin deşarj karakteristikleri sayısal olarak incelenmiş ve elde edilen bulgular küçük ölçekli bir deney düzeneği ile doğrulanmıştır. 23 kg/m³, 50 kg/m³ ve 100 kg/m³ yoğunluklara sahip grafit matrisler, parafini depolama malzemesi olarak kapsüllemek için kullanılmıştır. İki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) modeller geliştirilmiş; farklı duvar sıcaklıkları ile akışkan giriş parametrelerinin (sıcaklık ve hız) deşarj süreci üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Mevcut çalışmanın özgünlüğü, aynı halkasal grafit matris-FDM kompozit TED ünitesi içerisinde idealleştirilmiş 2B izotermal duvar sınır koşulunun, ITA bölgesi, giriş sıcaklığı, giriş hızı, taşınım ısı transferi ve ITA sıcaklığının eksenel gelişiminin doğrudan dikkate alındığı daha fiziksel olarak temsil edici 3B kütlesel debi sınır koşulu ile karşılaştırılmasında yatmaktadır. Simülasyonlar, musluk suyu, termik santral soğutma suyu ve düşük sıcaklıklı jeotermal sistemleri temsil eden üç farklı sıcaklık seviyesinde (20°C, 30°C ve 40°C) gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, duvar veya giriş sıcaklığındaki artışın, FDM ile ısı transfer akışkanı arasındaki sıcaklık farkını azaltarak katılaşma sürecini uzattığını göstermiştir. Buna karşılık, kütlesel debi sınır şartının uygulanması, izotermal duvar koşuluna kıyasla daha hızlı ısı geri kazanımı sağlayarak deşarj sürelerini kısaltmıştır. Maksimum termal enerji geri kazanım oranı, 100 kg/m3 yığın yoğunluğu, 20°C HTF giriş sıcaklığı ve 0.3 m/s giriş hızı koşulunda elde edilmiştir. Bulgular ayrıca, daha düşük yığın yoğunluklarının kapasite odaklı TES işletimi için daha uygun olduğunu, buna karşılık daha yüksek yığın yoğunluklarının güç odaklı ısı geri kazanım uygulamaları için daha avantajlı olduğunu göstermiştir.

Abstract

The inherently low thermal conductivity of phase change materials (PCMs) significantly limits their applicability in thermal energy storage (TES) systems. To address this limitation, carbon-based porous matrices are widely utilized to establish highly conductive thermal networks, enhancing overall thermal conductivity, accelerating heat recovery, and improving energy efficiency. In this study, a numerical investigation validated by a small-scale experimental setup is conducted to evaluate the heat recovery performance of a paraffin/graphite matrix composite in an annular geometry with various configurations and operating conditions. Graphite matrices with bulk densities of 23 kg/m³, 50 kg/m³, and 100 kg/m³ are used to encapsulate the paraffin a a storage material. Two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) models were developed, and the effects of varying wall temperatures and inlet parameters (temperature and velocity) on the discharging process were comparatively analyzed. Simulations are performed at three temperature levels (20 °C, 30 °C, and 40 °C), representing practical applications such as tap water, thermal power plant cooling water, and low-temperature geothermal systems. The results indicate that increasing wall or inlet temperatures prolongs the solidification process by reducing the thermal gradient between the PCM and the heat transfer fluid. In contrast, the mass flow boundary condition enhances heat recovery compared to the isothermal wall configuration, resulting in shorter discharge times.

🔖

Bu Makaleye Atıf Yap

Semiz, K., Mıtıncık, S., Yazıcı, M. Y. (2026). Halkasal Aralık TES Sistemlerinde Grafit Matris-FDM Kompozitlerinin Farklı Çalışma Koşullarındaki Deşarj Karakteristikleri. Ordu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt: 16. https://doi.org/10.54370/ordubtd.1918332

📄 Tam Metin PDF Okuyucu

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

Kaynakça (38)

  1. Badenhorst, H. (2019). A review of the application of carbon materials in solar thermal energy storage. Solar Energy, 192, 35–68. https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2018.01.062
  2. Brent, A. D., Voller, V. R., & Reid, K. J. (1988). Enthalpy-porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal. Numerical Heat Transfer, 13(3). https://doi.org/10.1080/10407788808913615
  3. Chalivendula, S. R., & Tarigonda, H. (2025). Recent advances in organic phase cChange mMaterials for thermal energy storage: A review on sustainable development applications. In International Journal of Thermophysics (Vol. 46, Issue 6). Springer US. https://doi.org/10.1007/s10765-025-03559-9
  4. Choure, B. K., Alam, T., & Kumar, R. (2023). A review on heat transfer enhancement techniques for PCM based thermal energy storage system. Journal of Energy Storage, 72(PA), 108161. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108161
  5. Dai, X., Wu, X., & Tian, F. (2018). Numerical study on solidification heat transfer of spherical composite phase change capsule with high thermal conductivity. AIP Advances, 8(12). https://doi.org/10.1063/1.5080752
  6. Dhaidan, N., Hashim, H., Abbas, A., Khodadadi, J., Almosawy, W., & Al-Mousawi, F. (2023). Discharging of PCM in various shapes of thermal energy storage systems: A review. Journal of Thermal Science, 32(3), 1124–1154. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1793-z
  7. Fahad, M. K., Subah, S., Ifraj, N. F., Tahsin, S. H., Alvi, T. R., Hasan, M. J., & Rahman, F. (2025). Impact of employing rectangular and branching fins on the solidification of n-eicosane phase change material in a shell and tube heat exchanger for TES. Journal of Energy Storage, 119(March), 116359. https://doi.org/10.1016/j.est.2025.116359
  8. Fang, Y., Xu, H., Miao, Y., Bai, Z., Niu, J., & Deng, S. (2020). Experimental study of storage capacity and discharging rate of latent heat thermal energy storage units. Applied Energy, 275(May 2019), 115325. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115325
  9. Fethi, A., Mohamed, L., Mustapha, K., Ameurtarek, B., & Sassi, B. N. (2015). Investigation of a graphite/paraffin phase change composite. International Journal of Thermal Sciences, 88, 128–135. https://doi.org/10.1016/J.IJTHERMALSCI.2014.09.008
  10. Gao, L., Zhao, J., An, Q., Zhao, D., Meng, F., & Liu, X. (2017). Experiments on thermal performance of erythritol/expanded graphite in a direct contact thermal energy storage container. Applied Thermal Engineering, 113, 858–866. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.073
  11. Goel, V., Dwivedi, A., Kumar, R., Kumar, R., Pandey, A. K., Chopra, K., & Tyagi, V. V. (2023). PCM-assisted energy storage systems for solar-thermal applications: Review of the associated problems and their mitigation strategies. Journal of Energy Storage, 69(June), 107912. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107912
  12. Gupta, B., Bhalavi, J., Sharma, S., & Bisen, A. (2021). Phase change materials in solar energy applications: A review. Materials Today: Proceedings, 46, 5550–5554. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2020.09.343
  13. Huang, X., Chen, X., Li, A., Atinafu, D., Gao, H., Dong, W., & Wang, G. (2019). Shape-stabilized phase change materials based on porous supports for thermal energy storage applications. Chemical Engineering Journal, 356, 641–661. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2018.09.013
  14. Huang, X., Li, F., Guo, J., Li, Y., Du, R., Yang, X., & He, Y. L. (2024). Design optimization on solidification performance of a rotating latent heat thermal energy storage system subject to fluctuating heat source. Applied Energy, 362(February), 122997. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.122997
  15. Ling, Z., Chen, J., Xu, T., Fang, X., Gao, X., & Zhang, Z. (2015). Thermal conductivity of an organic phase change material/expanded graphite composite across the phase change temperature range and a novel thermal conductivity model. Energy Conversion and Management, 102, 202–208. https://doi.org/10.1016/J.ENCONMAN.2014.11.040
  16. Liu, J., Zhuo, K., Chen, B., Ge, X., Yu, J., Zeng, D., Li, Y., Qu, M., Zeng, S., You, S., Xie, X., & Liu, H. (2026). Thermal management properties of BN/paraffin/expanded graphite composite phase change materials for cylindrical 21700 Li-ion battery. Thermal Science and Engineering Progress, 70(July 2025), 104516. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2026.104516
  17. Lv, Y., Zhou, W., & Jin, W. (2016). Experimental and numerical study on thermal energy storage of polyethylene glycol/expanded graphite composite phase change material. Energy and Buildings, 111, 242–252. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.11.042
  18. Mahboobtosi, M., Gholami, A., & Ganji, D. D. (2025). Enhanced PCM Solidification in triplex-tube thermal energy storage with optimized configuration of branched-angled fins and Hybrid Nanofluid Integration. Results in Engineering, 27(June), 106214. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106214
  19. Mallow, A., Abdelaziz, O., & Graham, S. (2016). Thermal charging study of compressed expanded natural graphite/phase change material composites. Carbon, 109, 495–504. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2016.08.030
  20. Mitincik, S., & Yazici, M. Y. (2024). Numerical modelling and experimental validation on the discharging performance of paraffin/graphite matrix composite with various configurations of bulk density and wall temperature. Journal of Energy Storage, 89(April), 111704. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111704
  21. Moralı, U. (2026). Effects of composite phase change material thickness and expanded graphite content on lithium-Ion battery thermal management system. Energy Technology, 14(3). https://doi.org/10.1002/ente.202501533
  22. Nair, A. M., Wilson, C., Kamkari, B., Hodge, S., Huang, M. J., Griffiths, P., & Hewitt, N. J. (2025). Enhancing thermal energy storage performance with expanded graphite composite: A comparative energy-exergy analysis. Journal of Energy Storage, 108(December 2024), 115037. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.115037
  23. Opolot, M., Zhao, C., Liu, M., Mancin, S., Bruno, F., & Hooman, K. (2020). Influence of cascaded graphite foams on thermal performance of high temperature phase change material storage systems. Applied Thermal Engineering, 180, 115618. https://doi.org/10.1016/J.APPLTHERMALENG.2020.115618
  24. Pielichowska, K., & Pielichowski, K. (2014). Phase change materials for thermal energy storage. Progress in Materials Science, 65, 67–123. https://doi.org/10.1016/J.PMATSCI.2014.03.005
  25. Rokhforouz, M., & Sheikholeslami, M. (2024). Numerical investigation of the process of melting and solidification within a parabolic trough solar collector using nanoparticles and fins. Journal of Cleaner Production, 434(November 2023), 140269. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140269
  26. Singh, D., Buddhi, D., & Karthick, A. (2023). Productivity enhancement of solar still through heat transfer enhancement techniques in latent heat storage system: A review. Environmental Science and Pollution Research, 30(1), 44–77. https://doi.org/10.1007/s11356-022-23964-z
  27. Song, Y., Zhang, N., Jing, Y., Cao, X., Yuan, Y., & Haghighat, F. (2019). Experimental and numerical investigation on dodecane/expanded graphite shape-stabilized phase change material for cold energy storage. Energy, 189, 116175. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116175
  28. Srivastava, U., & Sahoo, R. R. (2025). Thermal performance enhancement with melting effect of nickel foam and MXene nano-enhanced phase change material composite-based thermal energy storages. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 17(3). https://doi.org/10.1115/1.4067487
  29. Tong, X., Li, N., Zeng, M., & Wang, Q. (2019). Organic phase change materials confined in carbon-based materials for thermal properties enhancement: Recent advancement and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 108, 398–422. https://doi.org/10.1016/J.RSER.2019.03.031
  30. Tripathi, B. M., Shukla, S. K., & Rathore, P. K. S. (2023). A comprehensive review on solar to thermal energy conversion and storage using phase change materials. Journal of Energy Storage, 72(PA), 108280. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108280
  31. Venkateswarlu, K., & Ramakrishna, K. (2022). Recent advances in phase change materials for thermal energy storage-a review. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 44(1), 1–17. https://doi.org/10.1007/s40430-021-03308-7
  32. Voller, V. R., & Prakash, C. (1987). A fixed grid numerical modelling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems. International Journal of Heat and Mass Transfer, 30(8), 1709–1719. https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90317-6
  33. Wu, X. H., Chen, Y. N., Hou, J. W., Chang, Z. J., Wang, K., Lv, C., & Liu, H. (2022). Performance characterization of form-stable carbon-based network microcapsules for thermal energy storage. Applied Thermal Engineering, 212(January), 118632. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118632
  34. Xiao, X., Zhang, P., & Li, M. (2015). Experimental and numerical study of heat transfer performance of nitrate/expanded graphite composite PCM for solar energy storage. Energy Conversion and Management, 105, 272–284. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.07.074
  35. Yang, C., Wang, X. G., Xu, X. R., Bake, M., Wu, C. M., Li, Y. R., & Yu, J. J. (2024). Numerical study of solidification and melting behavior of the thermal energy storage system with non-uniform metal foam and active rotation. Journal of Energy Storage, 86(PB), 111353. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111353
  36. Zhao, B., Li, C., Jin, Y., Yang, C., Leng, G., Cao, H., Li, Y., & DIng, Y. (2016). Heat transfer performance of thermal energy storage components containing composite phase change materials. IET Renewable Power Generation, 10(10), 1515–1522. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2016.0026
  37. Zhao, C., Opolot, M., Liu, M., Bruno, F., Mancin, S., & Hooman, K. (2021). Phase change behaviour study of PCM tanks partially filled with graphite foam. Applied Thermal Engineering, 196(June), 117313. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117313
  38. Zhelezny, V., Khliyeva, O., Shestopalov, K., Khalak, V., Hlek, Y., Ivchenko, D., & Kvasnytskyi, B. (2025). Paraffin wax/expanded graphite for thermal energy storage: experiment and environmental analysis. Applied Thermal Engineering, 278(PA), 127197. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127197