A numerical study of a double pipe latent heat thermal energy storage system

Solar energy is an intermittent supply source of energy. To efficiently utilize this free renewable energy source some form of thermal energy storage devices are necessary. Phase change materials (PCMs), because of their high energy density storage capacity and near isothermal phase change characteristics, have proven to be promising candidates for latent heat thermal energy storage (LHTES) devices. Among the various LHTES devices for low temperature residential heating and cooling applications, the shell-and-tube type heat exchanging devices are the most simple to operate and can be easily fabricated. This work numerically investigates the buoyancy driven heat transfer process during melting (charging) of a commercial paraffin wax as PCM filling the annulus of a horizontal double pipe heat exchanger. The heated working fluid (water) is passing through the central tube of the annulus at a sufficiently high flow-rate and thereby maintaining an almost isothermal wall temperature at the inner pipe which is higher than the melting temperature of the PCM. The transient, two-dimensional coupled laminar momentum and energy equations for the model are suitably non-dimensionalized and are solved numerically using the enthalpy-porosity approach. Time-wise evolutions of the flow patterns and temperature distributions are presented through velocity vector fields and isotherm plots. In this study, two types of PCM filled annuli, a plain annulus and a strategically placed longitudinal finned annulus, are studied. The total energy stored, the total liquid fraction and the energy efficiency at different melting times are evaluated for three different operating conditions and the results are compared between the plain and finned annuli. The present study will provide guidelines for system thermal performance and design optimization of the shell-and-tube LHTES devices.L'énergie solaire est une source d'alimentation d'énergie intermittente. Pour utiliser efficacement cette source gratuite d'énergie renouvelable, une certaine forme de dispositifs de stockage d'énergie thermique est nécessaire. Les matériaux à changement de phase (PCMs) en raison de leur capacité d'énergie à haute densité de stockage et les caractéristiques quasi isothermes de changement de phase se sont révélés être des candidats prometteurs pour les dispositifs de stockage de la chaleur latente de l'énergie thermique (LHTES). Parmi les différents dispositifs LHTES pour le chauffage résidentiel à basse température et les utilisations possibles comme refroidissant, les dispositifs d'échange de chaleur du type à tubes et calandre et les dispositifs de type à tubes sont les plus simples à faire fonctionner et peuvent être facilement fabriqués. Ce travail étudie numériquement le processus de flottabilité piloté par le transfert de chaleur lors de la fusion (stockage de la chaleur) d'une cire de paraffine commerciale utilisée comme PCM remplissant l'espace annulaire d'un échangeur de chaleur horizontal à double conduit. Le fluide chauffé (de l'eau) faisant action passe par le conduit central de l'espace annulaire à un débit suffisamment élevé et maintient ainsi une température quasi isotherme de la paroi du conduit intérieur qui est supérieure à la température de fusion du PCM. La dynamique laminaire couplée à deux dimensions et les équations énergétiques transitoires du modèle sont convenablement dédimensionnées et sont résolues numériquement en utilisant l'approche enthalpie-porosité. Les évolutions selon le facteur temps des modèles d'écoulement et des distributions de température sont présentées par des champs vectoriels de vitesse et des courbes isothermiques. Dans cette étude, deux types d'espaces annulaires remplis de PCM, un espace annulaire simple et un espace annulaire longitudinal à ailettes