پایان نامه ارشد: طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی مکانیک

گرایش : ساخت و تولید

عنوان : طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

دانشگاه مازندران

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک- ساخت وتولید

عنوان:

طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با استفاده از الگوریتم ژنتیک

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

استاد مشاور:

دکتر کورش صدیقی

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:

پیل هاى سوختی، دستگاه هاى الکتروشیمیایی هستند که براى تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی به کار می روند. یکی از مهمترین نوع پیلهای سوختی، پیل سوختی پلیمری است که کاربرد فراوانی دارد. در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد : بهینه سازی در طراحی و ساخت

بهینه سازی پارامترهای فرآیندی

دسته اول که به بهینه سازی در ساخت اشاره دارد، به مواردی همچون نوع کانال جریان، هندسه کانال، جنس اعضای تشکیل دهنده پیل و همچنین یک پیکربندی مناسب و … برمی­گردد. این پارامترها گرچه پارامترهای بسیار مهم و موثری هستند ولی به هیچ وجه در طی فرآیند قابل تغییر نیستند و در کل فرآیند ثابت اند. دسته دوم که مربوط به پارامترهای عملکردی یا پارامترهای فرآیندی است شامل پارامترهای نظیر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد، دمای کارکردی پیل سوختی، نرخ جریان ورودی در سمت آند و کاتد و …… هستند که قابلیت انعطاف داشته و در طول فرآیند می­توانند تغییر کنند. تحقیق حاضر بعلت مشکلات موجود در بهینه سازی پارامترهای هندسی، به بهینه سازی سه پارامتر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی پرداخته که در میان پارامترهای فرآیندی از اهمیت وافری برخوردار است.

در این تحقیق الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از قویترین ابزارهای بهینه سازی به کار گرفته شده است و از نرم افزار پیل سوختی نوشته شده در گروه پژوهشی دانشگاه که بر اساس حل تحلیلی پیل سوختی عمل می کند، جهت ایجاد منحنی پلاریزاسیون و سپس منحنی توان استفاده شده است. ماکزیموم مقدار منحنی توان میزان بهینگی پارامترها (تابع برازندگی) در نظر گرفته شده است.

در الگوریتمهای ژنتیک معمولا از روش کدگذاری در مبنای دو برای مقادیر پارامترها استفاده می شود ولی برای راحتی کار و ایجاد سرعت بیشتر، در الگوریتم به کار گرفته شده از روش کدگذاری اعداد حقیقی بهره گرفته شده است همچنین برای عدم از بین رفتن جوابهای برازنده در نسلهای میانی از الگوریتم نخبه گرا استفاده شده است. در جدول زیر مقادیر به دست آمده برای سه پارامتر فوق و همچنین مقادیر بهینه گزارش شده از مقاله سلیمان و همکارش ]1[ آورده شده است.

در این تحقیق نمودارهای ماکزیمم توان بر حسب فشارهای جزیی آند و کاتد نشان داد تغییرات فشار سمت آند نسبت به تغییر مشابه فشار در سمت کاتد، در راندمان خروجی بسیار موثرتر است و حساسیت فشار آند نسبت به فشار کاتد بسیار بیشتر است که دلیل آن اهمیت انجام واکنشها و سوخت مصرفی در سمت آند است.

مقدار به دست آمده برای دمای کارکردی پیل نشان می دهد افزایش دما تا حدی بر راندمان پیل اثر مثبت گذاشته ولی اگر دما از مقدار خاصی تجاوز کند راندمان پیل کاهش چشمگیری خواهد داشت که این اتفاق را می توان به دلیل خشک شدن بیش از اندازه غشا توجیه نمود.

فصل اول: مقدمه

1-1- پیشگفتار

دو مشکل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی که بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشکیل می‌دهند وجود دارد. مشکل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌که در آینده‌ای نزدیک این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی که کمپانی‌های نفتی ارائه کرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با کاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.

مشکل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشکل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن کلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در کره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق کشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشکل آلایندگی و آلودگی محیط زیست که شرایط زندگی را نابسامان خواهد کرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشکل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بکار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش کردند.

هیدروژن یک انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاک با راندمان خروجی بالا، سبک و در دسترس است. یکی از خصوصیات ویژه آن، نوع کاربرد آن در فرآیند‌های الکترو‌شیمی است که می‌تواند در صورت کاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الکتریکی تولید کند که در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بکارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پیل سـوختی تبدیل کننده انرژی الکترو‌شـیمی است که انرژی شیـمیایی را به انرژی الکتریسـیته

(جریان مستقیم برق) تبدیل می‌کند. در حالت کلی یک فرآیند تولید الکتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است که این گام‌ها عبارتند از:

(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت

(2) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده

(3) بکار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی

(4) بکار گیری انرژی مکانیکی در ژنراتور و تولید جریان الکتریسیته

یک پیل سوختی تمام مراحل فوق را جهت تولید جریان الکتریسیته در یک گام خلاصه می‌کند علاوه بر اینکه هیچ نیازی به قسمت‌های متحرک ندارد. (شکل 1-1) چگونگی ایجاد جریان الکتریسیته توسط پیل سوختی را در یک گام نشان می‌دهد.

یک پیل سوختی از برخی جنبه‌ها شبیه به یک باتری است چون شامل الکترولیت و قطب‌های مثبت و منفی است و از واکنشهای الکتروشیمی، جریان الکتریسیته DC تولید می‌کند ولی برخلاف یک باتری نیازمند سوخت و اکسیژن مداوم است، همچنین الکترودهای پیل سوختی برخلاف یک باتری دستخوش تغییرات شیمیایی قرار نمی‌گیرند.

باتری‌ها به واسطه واکنشهای شیمیایی و با استفاده از موادی که از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جریان الکتریسیته تولید می‌کنند و به همین دلیل یک باتری در صورت مصرف مواد داخل آن تخلیه می شود که در این صورت نیازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اینکه قابلیت شارژ مجدد را داشته باشد ولی یک پیل سوختی مادامی که اکسیژن و سوخت به آن تزریق شود، امکان تخلیه ندارد و می‌تواند در دراز مدت کار کند. اکسیژن و هیدروژن که از مواد مورد نیاز پیل سوختی است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت ترکیبی یافت می‌شود، مثلاٌ  هیدروژن ممکن است در ترکیب با گازهایی همچون ، ، Co و … موجود باشد و یا در هیدروکربنات‌هایی مثل گاز طبیعی یا حتی هیدروکربنات مایع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنین هوای محیط هم به اندازه کافی حاوی اکسیژن مورد نیاز پیل سوختی می‌باشد. از سوی مقابل باتری هم مزیت‌هایی نسبت به پیل سوختی دارد که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتری ]حرارت ایجادی در باتری بسیار کمتر از پیل سوختی است[

– عدم نیاز به مدیریت سیستم در باتری

– عدم نیاز به تجهیزات زیاد و هزینه‌های جانبی سنگین

3-1- بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری

در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد  :

بهینه سازی پارامترهای فرآیندی یا پارامتر های عملکردی

بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل

1-3-1- بهینه سازی پارامترهای فرآیندی

بهینه سازی در پارامترهای متغیر شامل پارامترهایی از قبیل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبیت ، غلظت یا مولاریته سوخت ، سینتیک واکنش و ….. که از میان این پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غیر قابل کنترل اند و یا به عبارت صحیح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزینه زیادی در بر داشته طوری که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهای در دســترس­تر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسی چهار پارامتر از تمامی پارامترهای ممکن پرداخته شــده است که این چهار پارامتر عبارتند از :

دمای کارکرد پیل سوختی که معمولا بین 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغیراست

درصد رطوبت پیل سوختی

میزان مصرف اکسیژن در کاتد به مصرف هیدروژن در آند

فشار سیستم در سمت آند

فشار سیستم در سمت کاتد

2-3-1- بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل

پیل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هایی در جهت افزایش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :

– نوع کانال جریان آند (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ)

– لایه پخش گازی آند (جنس ، میزان فشردگی)

– مواد و ضخامت لایه کاتالیست آند و کاتد

– لایه پخش گازی کاتد (جنس ، میزان فشردگی)

– سایز ابعادی کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)

– فاصله بین دو کانال در صفحات الکترود (یا بررسی شعاع گذر)

– مواد و ضخامت غشای تبادل یونی

– نوع کانال جریان کاتد (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ(

– و….

استفاده از مواد جایگزین و کار آمدتر موضوعی است که بسیاری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و یک پیکر بندی صحیح برای پیل از جمله مـواردی است که در این قسمت قابل بررسی است.

پژوهشهای بســیاری در زمـینه یافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبیه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روشهای مختلفی همچون تحلیلی ، تجربی ، شبیه سازی که در قالب دینامیک سیالات مورد مطالـعه قرار میگرد و ترکیب تحلیلی و تجربی به تحقیق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پیشنهاد می کنند که بیــشترین راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.

4-1- پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری

سلیمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچی که در سال 1980 توسط خود تاگوچی معرفی شد ، برای بهینه سازی پارامترهای فرآیندی استفاده کردند . استفاده از این روش تعداد آزمایشـات مورد نیاز را به طرز چشـم گیری کاهش داده و این سبب کاهش هزینه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمایش می گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـیر قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهای نویز گفته میشود . آن دسته از پارامترهایی که کنترل آنان بسیار سخت و هزینه بر است نیز جزو پارامترهای غیر قابل کنترل یا نویز به حساب می آید. سلیمان و همکارش ]1[ در این آزمایشات پارامـترهای دمای کارکرد پیـل ، دمای رطوبت ، فشار کارکرد پیـل سوختی و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهای قابل کنترل در نظر گرفت و مقادیری را بعنوان مقادیر بهینه ارائه نمود و ادعا کرد که پیل سوختی در صورت عملکرد این مقادیر بیشترین راندمان خروجی را دارند.

بتی[2] و همکارانش ]3[ وابستگی فشار و دما را در سطح مشترک کاتالیست و غشا مورد بررسی قرار دادند. کاپادونیا[3] و همکارانش ]4[ وابستگی غشای نفیون 117 را بعنوان تابعی از دما و مرطوبیت بررسی کردند. سرید‌هار[4] و همکارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگی عملکرد پیل سوختی پلیمری را تحقیق کردند و برای تحقیقات خود از یک سری آزمایشات مربوطه بهره گرفتند.

ونگ[5] و همکارانش ]6[ اثرات پارامترهای عملکردی همچون دما و … را بر راندمان پیل‌های سوختی تحقیق کردند و بصورت عملی و آزمایشگاهی تأثیر این پارامترها را در حالت‌های مختلف نشان دادند. ونگ از هیدروژن خالص برای سوخت در طرف آند و از هوای معمولی در طرف کاتد استفاده کرد.

هیون[6] و همکارانش ]7[ با توجه به آزمایشات عملی به تحقیق در مورد اثرات مرطوبیت بیرونی بر عملکرد پیل سوختی پرداختند.

هوانگ[7] و همکارانش ]8[ به بررسی میزان تغییرات راندمان خروجی در ازای تغییرات پارامترهای عملکردی پرداختند و نتیجه آزمایشات خویش را ارائه کردند.

فرنگ[8] و همکارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمایشات عملی یک مدل تحلیلی ارائه کردند و با توجه به مدل تحلیل و آزمایشات عملی به بررسی میزان اثرات پارامترهای عملکردی و همچنین مشخصات جریان در کانال جریان گازی و لایه پخش‌کننده گاز پرداختند.

سانتارلی[9] و همکارانش ]10[ بر روی میزان مرطوبیت پیل سوختی در حالت اشباع و بدون مرطوبیت و همچنین میزان فشارهای واکنشگرها بصورت آزمایشگاهی تحقیق کرده و در نهایت نتایج خود را بعنوان مقادیر مناسب برای پارامترهای پیل سوختی درنظر گرفته و نتایج خویش را ارائه نمودند.

تیسیالنی[10] و همکارانش ]11[ یک سری آزمایشات در جهت افزایش راندمان پیل سوختی انجام دادند و در مقادیری خاص تاثیر این پارامترها را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.

وهدامه[11] و همکارانش ]12[ با استفاده از یک سری آزمایشات تجربی به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جریان گازی در یک پیل سوختی w500 پرداختند.

لی[12] و همکارانش ]13[ با ارایه یک مدل همدما و پایدار از پیل سوختی پلیمری به بررسی واکنش‌های پیل و شرایط بهینه عملکردی پارامترها پرداختند.

جردان[13] و همکارانش ]14[ اثر پارامترهای لایه پخش گازی را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالی[14] و همکارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشایی از جنس نفیون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندین تحقیق ]18-16[ با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی شده از پیل سوختی پلیمری، به بررسی عملکرد سمت کاتد و عملکرد کاتالیست بعنوان تسریع بخش واکنش‌ها و همچنین مدیریت آب و حرارت در پیل سوختی پرداختند.

[1]– Soleyman

[2]– Beattie

[3]– Cappadonia

[4]– Sridhar

[5]– Wang

[6]– Hyun

[7]– Hwang

[8]– Ferng

[9]– Santarelli

[10]– Ticianelli

[11]– Wahdame

[12]– Li

[13]– Jordan

[14]– Motupally

تعداد صفحه : 131

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