Stratification in storage tanks for heat pumps

Abstract

To assure high quality thermal storage and high efficiency of its acquisition, thermal stratification is often employed in thermal storage tanks. The motivation of stratification lies in the fact that mixing of layers can be minimized during operational cycle of the tank so that high temperature water could be taken at the load end, thus maintaining high thermal efficiency at demand side, while low temperature water can be drawn at lower bottom, thus maintaining the high efficiency at renewable heat collection side. The investigation of stratification entails the assessment of a wide variety of concepts to be embodied around the central theme of the thermal storage, especially its design and modelling. This thesis is put forward as “Thesis by publication.” In total 5 papers, which represent three main research studies, are attached together to accompanying text in this thesis. Meaning, 4 papers are published in first quartile (Q1) peer-reviewed impacted journal, while 1 paper is published in first decile (D1) peer-reviewed impacted journal. In the first study both experimental and numerical work is presented. The study is based on systematic comprehensive review work. For instance, multi-node and plug-flow approach to model various temperature distribution models are resurfaced. These models are categorized as linear, stepped, continuous-linear and general three-zone temperature distribution models. Subsequently, the dynamics of thermo-cline decay and influencing parameters both during standby and dynamic mode were demonstrated. In addition, a survey of state-of-the-art methods and practices to ascertain the performance improvement and its quantification were illustrated. This includes geometrical parameters – such as, structural design incorporation, essentially – inlet design, tank aspect ratio and wall material specification, and also, operational parameters to curb down the inlet mixing. Practice techniques and methods which were presented here in a novel way, extend towards the ground of practical application and research procedures. Furthermore, based on review, quantification of turbulent mixing was achieved on the basis of temperature profile, MIX number, and Richardson number. Various CFD models were developed and experimentally validated on the own laboratory test rig in order to find the optimal working conditions in discharge mode for different inlet devices. The evaluated parameters include flow rate, ΔT, and design of inlet device (diffuser), henceforth a direct interdependence between each was thus established. The results proved numerically that the tank working conditions can be optimized by proper selection of inlet device. These research findings can serve as guidelines to optimize the storage tank design, more specifically, inlet device-based design integrated with heating system, as thermal stratification and COP of heating system i.e. heat pumps, for example, are inherently correlated. Heat pumps are high flow rate and low ΔT devices, while, solar systems are low flow rate and high ΔT devices. Thus, the suitable choice of inlet device for a particular operating condition is critical. Second study is mainly focused on development of suitable exergetic models quantifying stratification decay of thermal storage based on second law of thermodynamics which was observed in tailoring the entropy and exergy equations. The new models underwent strict validation process. Firstly, experimental validation was achieved. Secondly, data driven approach using LSTM neural network was utilized. The LSTM model reproduced the results calculated by newly developed exergetic model thus the results calculated by quantitative approach is validated by data driven approach. Finally, the results were also compared with the work of other authors as a part of validation process. Equally important, time series data thus collected underwent statistical uncertainty analysis.

Pro zajištění vysoké kvality akumulace tepla a vysoké účinnosti při jeho získávání se v zásobnících tepla často využívá tepelného vrstvení (stratifikace). Motivace pro využití stratifikace spočívá v tom, že mísení vrstev v zásobníku může být během provozního cyklu minimalizováno tak, že na konci ohřevu objemu zásobníku může být z horní části odebírána voda o vysoké teplotě, čímž se dosahuje vysoké tepelné účinnosti na straně odběru, zatímco v dolní části může být odebírána voda o nízké teplotě a tak udržena vysoká účinnost na straně jímání obnovitelného tepla. Výzkum stratifikace zahrnuje posouzení široké škály konceptů, které se vyskytují okolo ústředního tématu zásobníků tepla, především jejich návrhu a modelování. Tato práce je zpracována jako „Disertace publikacemi“. K průvodnímu textu této práce je připojeno celkem 5 publikací (článků), které představují 3 hlavní výzkumné studie. Celkem 4 články jsou publikovány v recenzovaném impaktovaném časopise ležícím v prvním kvartilu (Q1), zatímco 1 článek je publikován v recenzovaném impaktovaném časopise ležícím v prvním decilu (D1). V první studii je představena jak experimentální tak numerická práce. Samotná studie je založena na systematické a komplexní rešeršní práci, např. bylo diskutováno použití více-uzlového a „plug-flow“ přístupu k modelování různých rozložení teploty. Modely byly kategorizovány jako lineární, stupňovité, spojitě-lineární a obecné třízónové modely pro rozložení teploty. Následně byla demonstrována dynamika degradace teplotního gradientu a ovlivňující parametry v pohotovostním i dynamickém režimu. Kromě toho byl ukázán přehled současných metod a postupů k vyhodnocování stratifikačního chování a jeho kvantifikaci. To zahrnuje geometrické parametry, uvažování konstrukčního návrhu, jako návrh vtoku, poměr rozměrů nádrže či specifikace materiálu stěny a také provozní parametry pro omezení mísení. Praktické techniky a metody byly představeny novým způsobem a rozšiřují základ praktických aplikací a výzkumných postupů. Na základě rešerše bylo dále kvantifikováno turbulentní mísení na základě teplotního profilu, MIX čísla a Richardsonova čísla. Pro nalezení optimálních provozních podmínek v režimu vybíjení zásobníku byly vytvořeny různé CFD modely a experimentálně ověřeny na vlastním laboratorním zkušebním zařízení pro různá nátoková zařízení. Hodnocené parametry pak zahrnují průtok, rozdíl teplot ΔT a dále konstrukci nátoku do zásobníku, takže mezi nimi byla stanovena vzájemná závislost. Výsledky numericky prokázaly, že provozní podmínky zásobníku lze optimalizovat vhodnou volbou konstrukce nátoku. Tato výzkumná zjištění mohou sloužit jako vodítko pro optimalizaci návrhu zásobníku tepla, konkrétněji návrhu založeného na vhodném nátokovém zařízení integrovaném s konkrétním zdrojem tepla, neboť teplotní stratifikace a COP zdroje tepla, tj. například tepelného čerpadla, jsou neodmyslitelně korelovány. Tepelná čerpadla jsou zařízení s vysokým průtokem a nízkým ΔT, na rozdíl od solárních systémů jako zařízení s nízkým průtokem a vysokým ΔT. Vhodná volba nátokového zařízení pro konkrétní provozní podmínky zdroje tepla je proto kritická. Druhá studie je zaměřena především na vývoj vhodného exergetického modelu kvantifikujícího degradaci stratifikace v zásobníku tepla na základě druhého termodynamického zákona, který byl sledován pro přizpůsobení rovnic vyjadřujících entropii a exergii. Nové modely prošly přísným validačním procesem.