Development of an Intermediate PCM Storage for a Wood Stove

Abstract

Norske husholdningers varmebehov blir hovedsakelig dekt av elektrisitet. En mer bære-kraftig energikilde til romoppvarming ville vært og benyttet en moderne vedovn. På grunn av de moderne passivhusenes lave varmebehov vil den nominelle effekten på 5kW levert av en typisk vedovn levere alt for høy effekt. En attraktiv teknologi som en løsning på dette problemet kan være å introdusere et midlertidig varmelager som benytter et faseendringsmateriale.

I forkant av denne masterstudien var det allerede gjort flere studier som alle var bidrag til et forskning- og innovasjonsprosjekt. Formålet med prosjektet er å utvikle et termisk energilager som utnytter latent varme hos et materiale som skal festes til en vedovn.

En prototype er allerede blitt utviklet og testet i laboratoriet. Prototypen indikerte at ønsket mengde energi på omtrent 6kWh ikke ble levert i løpet av en ønsket utladningsperiode på 8 timer. En stor termisk motstand ble sagt å befinne seg på lagerets utside som resulterte i en ineffektiv varmeavgivelse. Et modifisert lagerdesign har blitt fremstilt som et resultat av denne masteroppgaven hvor 16 vertikale kanaler ble festet på lagerets ytre vegg. Disse kanalene bidro til å minke den termiske motstanden ved å øke lagerets ytre overflateareal. Varmen avgitt i løpet av 8 timer økte fra 5.4 kWh til 6.1 kWh. Dette var en økning på 13 \% og resulterte i at ønsket mengde energi ble avgitt i løpet av antall ønsket timer.

En annen utfordring ved den eksisterende prototypen er faseendringsmaterialets relativt lave degraderingstemperatur. Ettersom det er uvisst hvor høye varmeflukser som muligens kan oppstå på bunnen av lageret, er risikoen for å oppnå degradering av materialet antatt å være høy på grunn av materialets lave konduktivitet. En eksperimentell studie er gjort ved bruk av en programvare som løser fluiddynamikk-problemer numerisk. Studien gikk ut på å se hvor store økninger i varmefluks et materiale ville tåle om frikonveksjon var til stede i materialet ved samme grensebetingelser. For et uendelig stort domene, må materialets strømning overgå et Rayleigh nummer på 1708 for at frikonveksjon skal oppstå. Først ble det undersøkt hvor store varmeflukser ulike smeltevolum med gitte høyder ville tåle om varmen kun ble ledet gjennom ved hjelp av konduksjon. Disse resultatene ble brukt som sammenligningsgrunnlag når ulike scenarioer med frikonveksjon ble simulert og høyere varmeflukser ble observert. Studien ble gjort ved å eksperimentere med ulike tetthetsendringer som var et resultat av temperaturforskjellen mellom bunn og topp av smeltevolumet, i tillegg til at to ulike dynamiske viskositeter ble antatt. Ett av resultatene viste at ved å ha et materiale som opplever frikonveksjon på grunn av tetthetsendringer, en varmefluks påsatt ved bunnen av lageret kunne bli økt med en faktor på 4.34 uten at materialet ville nærmet seg degraderingstemperaturen.

Flere forslag til videre arbeid er blitt nevn til slutt. Blant disse, er et av forslagene å simulere en ny utladningsprosess for det modifiserte lagerdesignet med en mer realistisk omgivelsestemperatur. En høyere temperatur er antatt i begynnelsen, noe som vil føre til lengre utladningstid. I tillegg er det av interesse å måle et faktisk tidsforløp av varmefluksen som vil oppstå mellom toppen av ovnen og lagerbunnen. Resultatene fra en slik undersøkelse kan indikere om risikoen for å overhete faseendringsmaterialet er så stor som fryktet eller ikke.

Norwegian households' heating demand is mainly supplied by electricity. A more sustainable way of providing heat to households for room heating is to utilize modern wood stoves. Due to the modern passive houses' low heating demand, a nominal duty of 5kW supplied from a typical wood stove would supply a too large duty. An attractive technology to solve this problem is to utilize an intermediate heat storage using a phase change material.

Before this master's thesis, several investigations and reports have been carried out as pieces of an innovative research project. This project aims to develop a latent heat thermal energy storage suitable for a modern wood stove used in a typical Norwegian home.

A pilot has previously been developed and tested in the laboratory. Its performance was inadequate in not releasing the desired amount of heat approximated to 6 kWh during the desired discharge duration of 8 hours. A large thermal resistance was observed outside the storage container, resulting in an inefficient heat release. A design modification was carried out as a result of this thesis, where 16 channels were attached to the vertical container wall. These channels helped with a larger heat transfer area, decreasing the outer thermal resistance. The heat released during 8 hours increased from 5.4 kWh to 6.1 kWh, which was a 13 \% increase resulting in the desired heat being released during the desired duration.

Another challenge regarding the existing thermal energy storage is the low degradation temperature of 300 \degree C for the phase change material. Since the magnitude of the heat fluxes that might occur at the storage bottom during a firing process is unknown, the risk of overheating the material is assumed to be large due to the material's low thermal conductivity. An experimental, numerical study using computational software has been conducted to see how significant an increase in heat fluxes a phase change material would endure by obtaining natural convection. A Rayleigh number exceeding 1708 is required for an infinite cavity to onset natural convection. An estimation of which material properties would onset natural convection was conducted as a base before a more comprehensive, numerical study was carried out. The approach was to compute different scenarios of melted volumes with fixed heights to see how altering the material's properties would affect the occurrence of natural convection and an increase in tolerable heat fluxes. By experimenting with different density changes caused by a temperature difference, and different dynamic viscosities, a concoct material was able to possibly tolerate a 4.34 times larger heat flux without risking the bottom temperature to reach its critical temperature. This heat flux was compared to if the heat was only transferred through conduction.

Several suggestions on further work of interest have been mentioned. Among them, a suggestion is to perform another numerical simulation of the discharge process for the storage where a more realistic surrounding temperature would be present to observe how this will increase the discharge duration. Also, a study where the actual heat fluxes obtained at the storage bottom are measured would be of great interest. Such investigation may imply whether the perceived risk of overheating the phase change material is genuine.