دانلود پایان نامه ارشد : تحلیل عددی ذخیره سازی انرژی گرمایی در مبدل های حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مکانیک

گرایش :تبدیل انرژی 

عنوان : تحلیل عددی ذخیره سازی انرژی گرمایی در مبدل های حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده

موسسه آموزش عالی صنعتی مازندران

دانشکده مهندسی مکانیک

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

موضوع:

تحلیل عددی ذخیره سازی انرژی گرمایی در مبدل های حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده

اساتید راهنما:

پروفسورمفید گرجی

دکتر داوود دومیری گنجی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

ذخیره سازی انرژی گرمایی و مواد تغییر فاز دهنده جهت کاربرد در سیستم گرمایش و سرمایش ساختمان ها به موضوع مهمی در 20 سال گذشته تبدیل شده است. هنگامی که عدم تطابق میان تولید انرژی و زمان مصرف آن وجود داشته باشد مسئله ذخیره سازی انرژی اهمیت می یابد. در کار حاضر سیالی که در مبدل حرارتی  سه لوله ای در جریان است تحت تاثیر منبع گرما قرار میگیرد و این سیال سبب ذوب شدن ماده تغییر فاز دهنده ای می شودکه در حالت اولیه جامد است . در این پایان‌نامه به تحلیل عددی اثر سطوح گسترش یافته بر فرآیند ذوب پارافین  به منظور  کاهش اتلاف انرژی به صورت ناپایدار، دو بعدی ، با سیال  غیرقابل تراکم و جابجایی آزاد می‌پردازیم.  به منظور افزایش کارایی سیستم، پره های طولی درون مبدل حرارتی  قرار داده شده است. اثر تعداد ، ارتفاع و ضخامت پره ها و همچنین تغییر دمای سیال و جنس مبدل بر انتقال حرارت و فرایند ذوب پارافین مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که با افزایش هر کدام از پارامترهای تعداد، ارتفاع وضخامت پره زمان ذوب ماده تغییر فاز دهنده کاهش می‌یابد که تاثیر تعداد و ارتفاع محسوس‌تر است. همچنین افزایش دمای سیال ورودی  باعث افزایش انتقال حرارت از سیال به ماده تغییر فاز دهنده شده که موجب بهبود ذخیره سازی انرژی در سیستم می‌گردد. به علاوه،  با بررسی  جنس های مختلف مبدل، سیستم مورد مطالعه نتایج بهتری را برای جنس مس نشان داد.

کلمات کلیدی : تحلیل عددی ، مبدل حرارتی ، ماده تغییر فاز دهنده ، ذخیره سازی انرژی حرارتی .

 

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه  1

1- 1 مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟ 2

1- 2 تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده 2

1- 3 چگونگی عملکرد مواد تغییر فاز دهنده 2

1- 4 خصوصیات مواد تغییر فازدهنده 4

1- 5 انواع مختلف مواد تغییر فاز دهنده 5

1- 6 فرایند تغییر فاز 7

1- 7 کاربردهای مواد تغییر فازدهنده 9

1-7-1.. کاهش نوسانات دمایی در داخل ساختمان 11

1-7-2.. استفاده از ماده تغییر فازدهنده در سیستمهای خورشیدی 11

1-7-3.. مواد تغییر فاز دهنده و کاربرد آنها در منسوجات.. 12

1-7-3-1 فضانوردی.. 13

1-7-3-2 البسه ورزشی.. 13

1-7-3-3 لوازم خواب.. 13

1-7-3-4 کاربردهای پزشکی.. 14

1- 8 روش های ذخیره انرژی 14

1-8-1. ذخیره انرژی مکانیکی 14

1-8-2.. ذخیره انرژی الکتریکی 14

1-8-3.. ذخیره انرژی گرمایی 14

1-8-4.. ذخیره انرژی ترموشیمیایی 15

1- 9 مواد تغییر فاز دهنده و ذخیره سازی انرژی 15

1-9-1.. بازیافت اتلافات حرارتی در سیستم های تبرید تراکمی 18

1-9-2.. بازیافت اتلافات حرارتی در ساختمانها و گلخانه ها 19

1- 10…………………… روشهای افزایش انتقال حرارت 20

1-10-………………. میکروکانالها 21

1-10-2………………….. مواد افزودنی به مایعات   21

1-10-3……………………….. استفاده از نانو سیال 22

1-10-4………… استفاده از سطوح گسترش یافته 23

1-10-5 استفاده از پره‌های مخلوط کننده 24

1-10-6 افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای 25

1-10-7……………………………… تزریق 25

1-10-8 مکش 25

1-10-9…………… ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان 26

1-10-10 نوسان سطح و سیال 26

فصل دوم :  مروری بر کارهای گذشته 27

2-1. بررسی پیشینه کارهای انجام شده 28

فصل سوم  مدل سازی و تحلیل نتایج   43

3-1. مقدمه. 44

3-2. شبیه سازی مسئله. 44

3-2-1.. مقدمه ای بر دینامیک سیالات محاسباتی.. 44

3-2-2.. مقدمه ای بر فلوئنت… 46

3-2-3.. هندسه مسئله. 49

3-2-4 شبکه بندی.. 51

3-2-5.. حل مستقل از شبکه و حساسیت بازه زمانی.. 57

3-3. معادلات حاکم در این تحقیق.. 61

3-3-1.. شرایط مرزی و اولیه. 62

3-4. اعتبار سنجی.. 63

3-5. بررسی نتایج.. 66

3-5-1.. بررسی اثر تعداد پره ها 66

3-5-2  بررسی اثر ارتفاع پره ها 70

3-5-3.. بررسی اثر ضخامت پره ها 74

3-5-4  بررسی اثر جدا نمودن ماده تغییر فاز دهنده توسط پره ها 78

3-5-5.. بررسی اثر تغییرات جنس مبدل.. 82

3-5-6… بررسی اثر تغییرات دمای سیال  86

فصل چهارم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات   91

4-1. نتیجه‌گیری.. 92

4-2. پیشنهادات برای ادامه کار 93

مراجع   95

1 مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟

(Phase Change Material) PCM به مواد تغییرفاز دهنده گفته میشود. این مواد ترکیبات آلی یا معدنی هستند که قابلیت جذب و ذخیره پنهان مقادیر زیادی از انرژی گرمایی را درون خود دارند. ذخیره انرژی گرمایی در این مواد، در طی فرآیند تغییر فاز (تغییر حالت از جامد به مایع یا بالعکس) اتفاق میافتد. این مواد به هنگام تغییر فاز از جامد به مایع یا از مایع به جامد، این گرما را از محیط جذب نموده و یا به محیط پس می دهند. ماده تغییر فازدهنده قابلیت آن را دارد که این انرژی نهفته گرمایی را بدون هیچگونه تغییری حتی پس از هزاران چرخه تغییر فاز، درون خود حفظ نماید. این مواد در صورت استفاده در ساختمان، از طریق چرخه های متوالی ذوب و انجماد در تغییرات شدید دمای هوا (مثلا بین شب وروز)، مقادیر زیادی گرما را با محیط تبادل نموده و از این طریق دمای هوای متعادل تری را برای فضای داخل ساختمان تامین می نمایند]1[.

1-2 تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده:

 اولین گزارشها مبنی بر کاربرد این مواد در ساختمان از 1940 به صورت نوظهور مطرح شد. سپس استفاده از این مواد در ساختمان از دهه 1980 به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و امروزه استفاده از آنها در صنعت ساختمان از جایگاه ویژه ای برخوردار شده است. این مواد را میتوان در ساختمان و در اجزایی مجزا برای کاربردهای گرمایش و سرمایش به کار برد از جمله کرکره ، دیوار رو به خورشید، تخته گچ، سیستمهای گرمایش کف و تخته های سقفی . همچنین بعد از جنگ جهانی دوم برای ساختن نخستین ذخیره کننده در خانه خورشیدی به عنوان PCM از این مواد استفاده شد.

1-3 چگونگی عملکرد مواد تغییر فاز دهنده:

مواد در طبیعت در سه فاز مایع، جامد و گاز وجود دارند. در صورتی که ماده ای از یک فاز به فاز دیگر تغییر حالت دهد، مقداری گرما را که گرمای نهان نامیده میشود، جذب یا آزاد مینماید. به عنوان مثال، یک ماده جامد پس از گرم شدن و رسیدن به نقطه ذوب خود، به جذب حجم بالایی از انرژی (که گرمای نهان ذوب نامیده میشود) پرداخته و حالت خود را از جامد به مایع تغییر میدهد. مواد تغییر فاز دهنده این خاصیت را دارند که حالت خود را در یک دامنه دمایی مشخص تغییر دهند، به این مفهوم که طی فرآیند تغییر حالت، دمای خود را برای طول مدت تغییر حالت حفظ مینمایند. در واقع، روش کار این مواد برای ذخیره انرژی گرمایی به این صورت است که طی فرایند گرم شدن محیط، به صورت موازی با محیط گرم میشوند تا زمانی که به دمای ذوب خود (تغییر فاز) برسند]2[.

پس از رسیدن به این دما علیرغم اینکه دمای محیط همچنان به روند افزایشی خود ادامه میدهد، دمای این مواد و البته محیط اطراف آن به دلیل اینکه در حال تغییر فاز است، ثابت مانده و در برابر افزایش دما مقاومت مینماید. در واقع، طی این بازه زمانی که معمولاً چند ساعت نیز به طول می انجامد، ماده تغییر فازدهنده مقادیر زیادی از گرمای محیط را به خود جذب مینماید، ولی آن را صرف افزایش دمای خود نمیکند، بلکه این گرمای جذب شده را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع نموده و طی فرایند تغییر فاز، دمای خود و محیط اطراف خود را ثابت نگاه میدارد. این روند تغییرات دمایی و جذب انرژی گرمایی در شکل1-1 بخوبی قابل مشاهده است]3[. در منطقه مربع شکل سفید رنگ، فرآیند تغییر فاز در حال شکل گرفتن بوده و در همین منطقه است

که انرژی گرمایی جذب شده توسط ماده درون  آن ذخیره می شود.

شکل 1-1 : نمودار عملکرد ماده تغییر فازدهنده

1-4 خصوصیات مواد تغییر فازدهنده

موادتغییر فازدهنده استفاده شده در طراحی سیستم های ذخیره حرارتی، باید دارای خصوصیات زیر باشند]4[:

الف. خواص حرارتی: دمای تغییر فاز مناسب،گرمای نهان تغییر فاز بالا،انتقال حرارت خوب؛

ب. خواص فیزیکی: تعادل فاز مطلوب، چگالی بالا،تغیرحجم کم، فشار بخار پایین،تغییر فاز تجدید پذیر؛

ج. خواص سینتکی: عدم فوق تبرد، نرخ تبلورکافی؛

د. خواص شیمیایی: پایداری شیمیایی بلند مدت،سازگاری با مواد ساختاری سیستم، عدم سمیت، عدم خطر احتراق؛

ه. خواص اقتصادی: در دسترس بودن، قیمت مناسب، قابلیت بازیافت.

یکی از مشکلات تغییر فاز تجدید پذیر، جدایی فاز است. جدایی فازی زمانی اتفاق می افتد که فازهای دارای ترکیبهای گوناگون به صورتی ماکروسکوپی ازهم جدا شوند. فوق تبرید نیز اثری است که در آن دما به صورت قابل توجهی به زیر دمای ذوب می رسد تازمانی که ماده شروع به انجماد وآزادسازی گرما کند (شکل 1-2). اگر به این دما نرسیم، ماده تغییر فاز منجمد نشده و تنهاگرمای محسوس را ذخیره می کند]5[.

شکل 1-2 :تغییر دما طی فرایند ذوب و انجماد 

همانطور که قبلا گفته شد،ماده تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می کند. این مواد به میزان 5 الی 14 برابر موادی مانند سنگ یا آب که به صورت محسوس می توانند انرژی را در خود ذخیره کنند،ذخیره می کنند.

انتخاب نوع PCM بستگی به کاربرد و دمای طراحی سیستم دارد.دمای عملکرد سیستم جهت گرمایش یا سرمایش بایستی متناسب با دمای تغییر فاز PCM باشد. ظرفیت بالای ذخیره سازی انرژی حرارتی سبب میسر شدن ساخت ذخیره کننده های کوچک گردیده است و این ویژگی باعث کاربردی تر شدن این سیستم ها در مراکز صنعتی و تجاری که با محدودیت ابعادی مواجه هستند،شده است]6[. هر چه گرمای نهان ذوب وچگالی PCM بالاتر باشد ابعاد سیستم ذخیره کننده کوچک تر خواهد شد که این امر خود کمتر شدن تغییرات حجم به هنگام تغییر فاز با فشار بخار پایین را به دنبال دارد و نگرانی ها در مورد بروز مشکلات زیست محیطی را کاهش می دهد.

1-5  انواع مختلف مواد تغییر فاز دهنده

بلان زالبا و همکاران]7,8[، دو روش برای دسته بندی PCM ها ارائه دادند .روش اول،دسته بندی بر اساس، ساختمان ماده تغییر فاز دهنده و روش دوم دسته بندی بر اساس دمای تغییر فاز می باشد .در روش اول PCM  ها از لحاظ ساختمانی به دو دسته مواد دارای ترکیبات آلی، غیر آلی و آلیاژی تقسیم می شوند.  PCM های آلی نیز خود به دو دسته پارافینی و غیرپارافینی طبقه بندی می شوند. در قیاس PCM های پارافینی و غیر پارافینی می توان به گرمای نهان ذوب بالا،تغییر حجم کوچک هنگام ذوب، فشار بخار پایین در حالت مذاب غیرخورنده و نسبتا ارزان بودن اشاره کرد. از آن جایی که سطوح احاطه شده بوسیله پارافین به عنوان یک سطح با شار حرارتی بالا رفتار می کنند، بنابراین کاربرد این مواد پارافینی به علت هدایت حرارتی کم PCM ها،موجب افزایش بازده این مواد می شود.یکی از مهم ترین معایب این دسته از PCM ها، عدم سازگاری با مخازن پلاستیکی و بالا بودن نسبی قابلیت اشتعال آن است.

پارافین های آلی،که بیشتر به اسید های چرب معروف هستند، فراوان ترین PCM ها با خواص بسیار متغیر هستند. بر خلاف پارافین ها که دارای تشابه خواص هستند، هر کدام از این مواد دارای ویژگی های منحصر به فرد خود می باشند. از جمله می توان به بالا بودن گرمای نهان ذوب،سطح سمی بودن متغیر و عدم تعادل در دمای بالا اشاره کرد. مشکل این نوع مواد بالا بودن هزینه آنها در قیاس با پارافین هاست تا دو برابر و نیم است، همچنین اسیدها دارای خورندگی نسبی هستند.

PCM های غیرآلی نیز که بیشتر از مواد آلی معمولی هستند،موادی هستند که دارای ترکیبات کربن در ساختار خود نیستند.کاربرد این مواد در خنک کاری های شدید پدیده هائیست که تغییرات دمائی منظمی ندارند. از مشکلات عمومی PCM های غیر آلی، بیش از حد سرد شدن و بی ثباتی دمائی آنها می باشد. به هنگام انجماد باید مشکل بیش از حد سرد شدن PCM به طور کامل بررسی و حل گردد. ژانگ و همکاران]9,10,11[ با ترکیب کردن این مواد با مواد افزودنی هسته ای که دارای ساختمان کریستالی بوده و قابلیت حل بالایی را در PCM دارد،درصدد رفع این مشکل برآمدند.

همانطور که در قبل اشاره شد،دیگر دسته بندی که بر اساس دمای تغییر فاز می باشد،PCM  ها را به سه دسته:یوتکتیک، هیدارت نمک ها و مواد آلی تقسیم می کند. یوتکتیک ها نمک های محلول در آب هستند که دمای تغییر فاز آنها کمتر از صفر درجه سلسیوس است. هیدارت نمک ها یا نمک های هیدارته شده، نمک هایی هستند که دمای تغییر فاز آنها بالای صفر درجه سلسیوس و در محدوده 20-40 درجه سلسیوس است.هیدارت نمک ها از مهم ترین گروه PCM ها هستند که به طور گسترده برای سیستم های ذخیره انرژی گرمایی نهان استفاده می شوند . از ویژگی های مطلوب می توان به گرمای نهان ذوب بالا،هدایت گرمایی نسبتا بالا، خورندگی کم،کم بودن میزان سمی بودن،تغییر حجم کم در هنگام ذوب،سازگاری با مخازن پلاستیکی و همچنین ارزان بودن آنها اشاره کرد]12[.

مشکل اصلی این نوع PCM ها از آنجایی که دارای نرخ هسته گذاری پایین هستند می بایست فوق تبرید شوند و به همین دلیل انرژی به جای تخلیه در دمای ذوب،در دمای پایین تری تخلیه می شود و نتیجتا پدیده نامطلوب فوق تبرید شدن رخ می دهد. همچنین یکی دیگر از معایب این مواد،ذوب شدن آن به صورت نامتجانس است یعنی هنگامی که نمک کاملا در آب هیدراسیون در نقطه ذوب حل نشود.

برای کاربردهای تجاری و صنعتی، PCM ها باید داخل یک پوشش آب بندی شده قرار گیرند.دمای کاری رایج ترین PCM ها بین 40- تا 117+ درجه سانتیگراد است.این مواد را می توان مطابق شکل 1-3 به صورت لوله با پوششی از جنس پلی اتیلن بسته بندی نمود تا بتوان با به کار بردن آن در مخزن جاذب انرژی حرارتی،حرارت را به سیال موجود در سیستم (آب یا هوا) منتقل کرد. مطابق شکل 1-3 بایستی بین بسته های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.

شکل 1-3 : مخزن جاذب انرژی محتوی PCM

1-6  فرایند تغییر فاز

تغییر فاز می تواند به فرم های زیر صورت می گیرد: جامد- جامد، جامد- مایع، جامد-گاز، مایع-گاز و بالعکس. در تبدیل جامد-جامد،گرما هنگام تغییر حالت بلورین ماده، ذخیره می شود. درتغییر فازجامد-جامد، مایع یا گازی تولید نشده و نیاز به حبس داخل کپسولی نیست، اما به رغم تمامی این مزایا، تعداد کمی از این مواد تغییر فاز دهنده جامد-جامد شناخته شده می باشند.

تبدیل جامد- مایع گرمای نهان کمتری نسبت به مایع-گاز دارد اما با تغییرکمتری درحجم همراه است (در حدود10 % یا کمتر) بنابراین جهت استفاده در سیستم های ذخیره انرژی گرمایی، مقرون به صرفه ترمی باشند. بنابراین کلیه سیستم های ذخیره انرژی نهان می بایست دست کم دارای سه جزء زیر باشند]13[:

  1. ماده ی تغییر فازدهنده مناسب که ذوب آن در محدوده مطلوب باشد.
  2. سطح مبدل حرارتی مناسب
  3. محفظه نگهدارنده سازگار با ماده ی تغییر فازدهنده

دمای ماده تغییر فازدهنده در طول فرآیند ذوب وانجماد تقریباً ثابت می ماند.انتقال حرارت بالا بدون تغییرمحسوس دما باعث شده تا مواد تغییر فازدهنده به عنوان یک منبع قابل توجه برای ذخیره گرمایی در فرایندهای عملی مطرح است.

در سال 1938، ابهت دسته بندی مفیدی برای مواد ذخیره ساز انرژی گرمایی ارائه داد که درشکل 1-4 آورده شده است]14[.

تعداد صفحه : ۱۱۴

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09199970560        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید