probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-4-126-138probener-4003Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESВлияние поперечного оребрения на кинетику зарядки цилиндрического аккумулятора тепла фазового переходаThe effect of transverse fins on the charging kinetics of a cylindrical phase transition heat accumulatorПономаревР. А.PonomarevR. A.

Пономарев Роман Андреевич – ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения»

г. Казань

Roman A. Ponomarev

Kazan

romanponomarevich@mail.ruВаньковЮ. В.VankovYu. V.

Ваньков Юрий Витальевич – д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения»

г. Казань

Yurij. V Vankov

Kazan

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202615092026284126138Copyright © Пономарев Р.А., Ваньков Ю.В., 20262026Пономарев Р.А., Ваньков Ю.В.Ponomarev R.A., Vankov Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/4003

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена необходимостью интенсификации теплообмена в аккумуляторах тепла фазового перехода (АТФП) на основе парафиновых теплоаккумулирующих материалов. Низкая теплопроводность парафинов (0,15–0,30 Вт/(м·К)) приводит к недопустимо большому времени зарядки аккумулятора. Поперечное оребрение является одним из наиболее технологичных пассивных методов интенсификации, однако в литературе отсутствуют однозначные рекомендации по выбору оптимального количества ребер для АТФП цилиндрической геометрии.

ЦЕЛЬ работы — экспериментальное определение оптимального количества поперечных ребер цилиндрического АТФП с применением парафина в качестве теплоаккумулирующего материала, обеспечивающего минимальное время зарядки.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Исследования проводились на прозрачной модели цилиндрического АТФП с медным трубчатым теплообменником и поперечными ребрами. Испытаны три конфигурации: с 6, 8 и 10 ребрами. Регистрация процесса плавления выполнялась методом оптической визуализации с последующей цифровой обработкой изображений в среде MATLAB по адаптивному пороговому алгоритму. Для каждой конфигурации проведено четыре повторных эксперимента.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено, что процесс плавления характеризуется тремя стадиями: прогрев твердого парафина (0–60 мин, средняя скорость плавления 0,22 %/мин), интенсивное плавление с развитой естественной конвекцией (60–180 мин, 0,55 %/мин) и завершающая стадия (180–220 мин, 0,26 %/мин). Конфигурация с 10 ребрами обеспечивает наименьшее время достижения 50% расплава (127,8 мин), однако по времени достижения 80% расплава практически не отличается от конфигурации с 8 ребрами (162,0 и 162,7 мин соответственно). Максимальную пиковую скорость плавления демонстрирует конфигурация с 8 ребрами — 1,52 %/мин, что на 55% выше, чем у 6 ребер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. По совокупности критериев (время зарядки, пиковая скорость плавления, материалоемкость, полезный объем) оптимальной признана конфигурация с 8 поперечными ребрами. Увеличение количества ребер до 10 не приводит к дальнейшему сокращению времени зарядки из-за частичного подавления естественной конвекции в узких межреберных каналах (межреберное расстояние 15–17 мм). Полученные результаты могут быть использованы при проектировании цилиндрических АТФП для систем горячего водоснабжения, а также для верификации численных моделей.

RELEVANCE of the study is due to the need to intensify heat transfer in phase change heat accumulators (PCHA) based on paraffinic heat storage materials. Low thermal conductivity of paraffins (0.15–0.30 W/(m·K)) This leads to an unacceptably long battery charging time. Transverse finning is one of the most technologically advanced passive intensification methods, however, there are no clear recommendations in the literature on choosing the optimal number of ribs for the cylindrical geometry of accumulator.

THE PURPOSE

THE PURPOSE. experimental determination of the optimal number of transverse ribs of a cylindrical PCHA with a paraffin heat storage material, which ensures a minimum charging time while maintaining a sufficient useful volume.

METHODS

METHODS. The research was carried out on a transparent cylindrical PCHA model with a copper tubular heat exchanger and transverse fins. Three configurations have been tested: with 6, 8 and 10 ribs. The melting process was recorded using optical imaging followed by digital image processing in MATLAB using an adaptive threshold algorithm. Four repeated experiments were performed for each configuration.

RESULTS

RESULTS. It was found that the melting process is characterized by three stages: heating of solid paraffin (0-60 min, average rate of 0.22%/min), intensive melting with developed natural convection (60-180 min, 0.55%/min) and the final stage (180-220 min, 0.26%/min). The 10-rib configuration provides the shortest time to reach 50% of the melt (127.8 minutes), however, the time to reach 80% of the melt is practically the same as the 8-rib configuration (162.0 and 162.7 minutes, respectively). The maximum peak melting rate is demonstrated by the configuration with 8 fins — 1.52%/min, which is 55% higher than that of 6 fins.

CONCLUSION

CONCLUSION. According to a set of criteria (charging time, peak melting rate, material consumption, useful volume), the configuration with 8 transverse ribs is considered optimal. Increasing the number of ribs to 10 does not lead to a further reduction in charging time due to partial suppression of natural convection in narrow intercostal channels (intercostal distance 15-17 mm). The results obtained can be used in the design of cylindrical PCHA for hot water supply systems, as well as for verification of numerical models.

аккумулятор теплафазовый переходинтенсификация теплообменаоребрениепарафинсвободная конвекцияheat accumulatorphase transitionintensification of heat exchangefinningparaffinfree convectionРабота, по результатам которой выполнена статья, проведена в рамках Государственного задания №075-03-2025-458 от 17.01.2025 года.The work that resulted in this article was carried out as part of State Assignment No. 075-03-2025-458 dated January 17, 2025.ReferencesFaraj K., Khaled M., Faraj J., Hachem F., Castelain C. A review on phase change materials for thermal energy storage in buildings: Heating and hybrid applications // Journal of Energy Storage. – 2021. – V. 33. – P. 101913.Faraj K., Khaled M., Faraj J., Hachem F., Castelain C. A review on phase change materials for thermal energy storage in buildings: Heating and hybrid applications // Journal of Energy Storage. – 2021. – V. 33. – P. 101913.Ram S., Prasad A.K., Hansdah D. A review on solar thermal energy storage systems using phase-change materials // Energy Storage. – 2024. – V. 6. – No. 1. – P. e541.Ram S., Prasad A.K., Hansdah D. A review on solar thermal energy storage systems using phase-change materials // Energy Storage. – 2024. – V. 6. – No. 1. – P. e541.Kahwaji S., White M.A. Organic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage: Influence of Molecular Structure on Properties // Molecules. – 2021. – V. 26. – No. 21. – P. 6635.Kahwaji S., White M.A. Organic Phase Change Materials for Thermal Energy Storage: Influence of Molecular Structure on Properties // Molecules. – 2021. – V. 26. – No. 21. – P. 6635.Милёхин М.И., Умеренков Е.В. Тепловые аккумуляторы фазового перехода на основе парафина // Известия Юго-Западного государственного университета. – 2024. – Т. 28. – №. 3. – С. 36–49.Милёхин М.И., Умеренков Е.В. Тепловые аккумуляторы фазового перехода на основе парафина // Известия Юго-Западного государственного университета. – 2024. – Т. 28. – №. 3. – С. 36–49.Baskakov S.A., Baskakova Y.V., Kabachkov E.N., Shibaeva V.V., Shibaev A.V. Fast Charging of a Thermal Accumulator Based on Paraffin with the Addition of 0.3 wt.% rGO // Journal of Composites Science. – 2023. – V. 7. – No. 5. – P. 193.Baskakov S.A., Baskakova Y.V., Kabachkov E.N., Shibaeva V.V., Shibaev A.V. Fast Charging of a Thermal Accumulator Based on Paraffin with the Addition of 0.3 wt.% rGO // Journal of Composites Science. – 2023. – V. 7. – No. 5. – P. 193.Feng D., Li P., Li X., Zhang Y. Multifunctional performance of carbon nanotubes in thermal energy storage materials // Materials Today. – 2024. – V. 75. – P. 285–308.Feng D., Li P., Li X., Zhang Y. Multifunctional performance of carbon nanotubes in thermal energy storage materials // Materials Today. – 2024. – V. 75. – P. 285–308.Mirahmad A., Sadrameli S.M., Mohammadi O. Beyond Thermal Conductivity: A Review of Nanofluids for Enhanced Energy Storage and Heat Transfer // Nanomaterials. – 2025. – V. 15. – No. 4. – P. 302.Mirahmad A., Sadrameli S.M., Mohammadi O. Beyond Thermal Conductivity: A Review of Nanofluids for Enhanced Energy Storage and Heat Transfer // Nanomaterials. – 2025. – V. 15. – No. 4. – P. 302.Al-Mudhafar A.H.N., Nowakowski A.F., Nicolleau F.C.G.A. Enhancing the thermal performance of PCM in a shell and tube latent heat energy storage system by utilizing innovative fins // Energy Reports. – 2021. – V. 7. – P. 120–126.Al-Mudhafar A.H.N., Nowakowski A.F., Nicolleau F.C.G.A. Enhancing the thermal performance of PCM in a shell and tube latent heat energy storage system by utilizing innovative fins // Energy Reports. – 2021. – V. 7. – P. 120–126.Mahdi J.M., Lohrasbi S., Ganji D.D., Nsofor E.C. Accelerated melting of PCM in energy storage systems via novel configuration of fins in the triplex-tube heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – V. 124. – P. 663–676.Mahdi J.M., Lohrasbi S., Ganji D.D., Nsofor E.C. Accelerated melting of PCM in energy storage systems via novel configuration of fins in the triplex-tube heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – V. 124. – P. 663–676.Zhang S., Pu L., Xu L., Liu R., Li Y. Melting performance analysis of phase change materials in different finned thermal energy storage // Applied Thermal Engineering. – 2020. – V. 176. – P. 115425.Zhang S., Pu L., Xu L., Liu R., Li Y. Melting performance analysis of phase change materials in different finned thermal energy storage // Applied Thermal Engineering. – 2020. – V. 176. – P. 115425.Karami R., Kamkari B. Experimental investigation of the effect of perforated fins on thermal performance enhancement of vertical shell and tube latent heat energy storage systems // Energy Conversion and Management. – 2020. – V. 210. – P. 112679.Karami R., Kamkari B. Experimental investigation of the effect of perforated fins on thermal performance enhancement of vertical shell and tube latent heat energy storage systems // Energy Conversion and Management. – 2020. – V. 210. – P. 112679.Qiu L., Ouyang Y., Feng Y., Zhang X. Review on micro/nano phase change materials for solar thermal applications // Renewable Energy. – 2019. – V. 140. – P. 513–538.Qiu L., Ouyang Y., Feng Y., Zhang X. Review on micro/nano phase change materials for solar thermal applications // Renewable Energy. – 2019. – V. 140. – P. 513–538.Veismoradi A., Ghalambaz M., Shirivand H., Ghalambaz M., Chamkha A.J. Study of paraffin-based composite-phase change materials for a shell and tube energy storage system: A mesh adaptation approach // Applied Thermal Engineering. – 2021. – V. 190. – P. 116793.Veismoradi A., Ghalambaz M., Shirivand H., Ghalambaz M., Chamkha A.J. Study of paraffin-based composite-phase change materials for a shell and tube energy storage system: A mesh adaptation approach // Applied Thermal Engineering. – 2021. – V. 190. – P. 116793.Ying Q., Wang H., Lichtfouse E. Numerical simulation on thermal behavior of partially filled metal foam composite phase change materials // Applied Thermal Engineering. – 2023. – V. 229. – P. 120573.Ying Q., Wang H., Lichtfouse E. Numerical simulation on thermal behavior of partially filled metal foam composite phase change materials // Applied Thermal Engineering. – 2023. – V. 229. – P. 120573.Ротов П.В., Горшков А.В., Ротова М.А. О целесообразности изменения схемы подключения установок горячего водоснабжения. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024;26(5):54-65. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-5-54-65.Rotov P.V., Gorshkov A.V., Rotova M.A. About expediency of changing the connection diagram of hot water supply units. Power engineering: research, equipment, technology. 2024;26(5):54-65. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-5-54-65.Звонарева Ю.Н., Ваньков Ю.В. РАБОТА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ПОЭТАПНОМ ВНЕДРЕНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017;19(1-2):31-40. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2017-19-1-2-31-40.Zvonareva J.N., Van'kov J.V. WORK OF SYSTEM OF HEAT SUPPLY AT STAGE-BY-STAGE INTRODUCTION OF THE AUTOMATED INDIVIDUAL THERMAL POINTS. Power engineering: research, equipment, technology. 2017;19(1-2):31-40. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2017-19-1-2-31-40.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.