خلاصه
در این مقاله فرآیند گذرای ذخیره سازی انرژی حرارتی در داخل مبدلهای دو لولهای پرهدار به صورت عددی مدلسازی میشود. مدلسازی برای مخازن بدون پره، دو پره و چهار پره انجام میشود. نتایج بررسیها نشان میدهد که مدت زمان ذوب کامل ماده تغییر فاز دهنده در مخازن بدون پره، دو پره و چهار پره به ترتیب برابر با ۰۶،۰۶ و ۵۰ دقیقه میباشد. افزودن پرهها با افزایش نفوذ حرارت در ماده تغییر فاز دهنده و تقویت جریان جابجایی آزاد در محفظه موجب بهبود نرخ ذخیرهسازی انرژی میشوند. نرخ متوسط انتقال حرارت در مخازن دو پره و چهار پره نسبت به مخزن بدون پره به ترتیب ۱/۵ و ۵/۴ برابر بیشتر است. برای تمامی حالات مورد بررسی نرخ ذوب در نیمه بالایی محفظه نسبت به نیمه پایینی آن سریعتر بوده و با نزدیک شدن به پایان فرآیند، سیال از لحاظ دمایی لایهای میشود.

کلمات کلیدی: ذخیره سازی انرژی، ماده تغییر فاز دهنده، مبدل حرارتی، پارافین، مدلسازی

.۱ مقدمه

محدودیت منابع انرژی از یکسو و افزایش روز افزون مصرف آن توسـط جوامع از سوی دیگر، علاوه بر آلودگی محیط زیست و هدر دادن سرمایه های ملی، زندگــی آینـده انسانها را نیز با مخاطره مواجه ساخته است. تلاش جهت رسیدن به فنآوریهای جدید به منظور برطرف کردن نگرانیهای فزآینده در مورد مشکلات زیست محیطی، کمبود انرژی و هزینههای بالای تولید آن و ساخت نیروگاههای جدید به نگرانیهای علمی در دهههای اخیر تبدیل شده است. یکی از گزینههای کلیدی جهت بهبود بهرهوری انرژی، توسعه سیستمهای ذخیره کننده انرژی جهت کاهش عدم تطابق میان میزان تقاضا و عرضه انرژی میباشد. ذخیرهسازی بدین معنی است که زمان استفاده با زمان تولید متفاوت بوده و برای بهرهبرداری نیاز به یک سیستم میانی و یا مخزن ذخیره کننده میباشد.

شناخته شده ترین روش ذخیرهسازی انرژی حرارتی، ایجاد تغییرات دمایی در یک ماده میباشد. به این روش، ذخیرهسازی حرارت محسوس گفته میشود. روش دیگر، استفاده از تغییر فاز یک ماده میباشد. از آنجایی که فرآیند تغییر فاز در محدوده دمایی تقریباً ثابت رخ میدهد، مقادیر قابل توجهی از انرژی در محدوده دمایی معین و به صورت نهان جذب و آزاد میگردد. به موادی که با تغییر فاز موجب ذخیره انرژی حرارتی میشوند، مواد تغییر فاز دهنده گویند. در سالهای اخیر تحقیقات جهت به کارگیری مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای ذخیره کننده انرژی با رشد فراوانی همراه بوده است. از مزایای این مواد میتوان به گرمای نهان ذوب بالا، محدوده وسیع دمای تغییر فاز و تغییر دمایی اندک به هنگام ذوب و انجماد نام برد ۱]،.[۵ مواد تغییر فاز دهنده با ترکیب شدن با سیستمهای حرارتی دیگر نظیر سیستمهای حرارتی خورشیدی [۳]، بازیابهای گرما [۴]، ساختمان ۰]،[۰، تجهیزات الکترونیکی [۷] و سیستمهای فضایی [۸] موجب افزایش راندمان و اطمینان سیستم میشوند.

فضیلتی و عالم رجبی [۹] تاثیر به کارگیری ماده تغییر فاز دهنده بر عملکرد آب گرمکن خورشیدی را به صورت تجربی مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق از پارافین به عنوان ماده تغییر فاز دهنده استفاده شد که در محفظههای کروی شکل در داخل مخزن ذخیره آب گرم قرار گرفتند.

۱ استادیار گروه مهندسی مکانیک
۵ دانشموخته کارشناسی ارشد

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در »مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

نتایج نشان داد که میزان چگالی ذخیره انرژی گرمایی و راندمان اگزرژی به ترتییب %۳۹ و %۱۰ بهبود یافتند. همچنین مدت زمان تامین آب گرم به میزان %۵۰ افزایش یافت. اگینیم و هویت [۱۶] سیستم ترکیبی پمپ حرارتی با منبع هوایی به همراه ماده تغییر فاز دهنده را مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق از ماده تغییر فاز دهنده RT58 با محدوده دمایی تغییر فاز ۰۳-۰۹ oC استفاده شد. نتایج به دست آمده از تحقیق نشان داد با استفاده از این سیستم ترکیبی حجم مخزن ذخیره تا %۳۶ کاهش مییابد. اگینیم و همکارانش [۱۱] به مطالعه تجربی سیستمهای ذخیرهکننده انرژی با مبدلهای دو لولهای و پنج لولهای پرداختند. تغییرات دمایی در هر دو سیستم در دو جهت محوری و شعاعی مورد تجزیه و تحلیل و مقایسه قرار گرفت. ماده تغییر فاز دهنده مورد استفاده در این بررسی، اریتریتول با دمای ذوب ۱۱۷/۷ oC انتخاب گردید. زمانهای لازم جهت تغییر فاز کامل در مبدل دو لولهای و پنج لولهای به ترتیب در حدود هشت ساعت و پنج ساعت گزارش گردیدند. محققان سیستم پوسته و لوله را برای شارژ مواد تغییر فاز دهنده پیشنهاد کردند.

یکی از مشکلات اصلی این مواد که موجب عدم فراگیر شدن استفاده آنها در صنعت گردیده است، ضریب هدایت حرارتی پایین آنها و در نتیجه، نرخ ذوب و انجماد پایین میباشد. از این رو، به کارگیری روشهایی جهت برطرف نمودن این مشکل ضروری به نظر میرسد. این روشها شامل استفاده از سطوح گسترش یافته، محیطهای متخلخل فلزی و نانو ذرات میباشند. لوین و همکارن [۱۵] فرآیند بهینه سازی یک دفع کننده حرارتی حاوی ماده تغییر فاز دهنده را جهت سرمایش گذرای تجهیزات الکترونیکی معرفی کردند. در این تحقیق نیز از نقش جریان جابجایی آزاد صرف نظر شد. یافتهها حاکی از وابستگی درصد ماده تغییر فاز دهنده (نسبت حجم ماده تغییر فاز دهنده به حجم پرهها) با تعداد پرهها، طول پرهها و شار حرارتی اعمالی بود. بابی و بالاجی [۱۳] عملکرد حرارتی یک دفع کننده حرارتی ترکیبی با ماده تغییر فاز دهنده را به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار دادند. در این تحقیق، از دفع کنندههای حرارتی با پرههای سوزنی و پرههای مستطیلی جداکننده استفاده شد. طول، عرض و ارتفاع این محفظهها به ترتیب برابر با ۸۶، ۰۶ و ۵۰ میلیمتر میباشند. آزمایش برای شارهای حرارتی متفاوت در محدود ۷ W- 5 انجام گرفت. نتایج، بیانگر عملکرد حرارتی بهتر پرههای سوزنی نسبت به پرههای مستطیلی بود. هانگ و همکارانش [۱۴] از ماده تغییر فاز دهنده به عنوان تنظیم کننده دمایی مدولهای فتوولتاییک استفاده کردند. نوعی پارافین تجاری با نام RT27 در داخل محفظهای پرهدار در پشت مدول فتوولتاییک قرار گرفت. استفاده از سیستم ترکیبی موجب کاهش دمای مدول فتوولتاییک تا ۳۶ oC کمتر نسبت به حالت بدون ماده تغییر فاز دهنده گردید و از کاهش راندمان آن به دلیل افزایش دما جلوگیری شد.

وانگ و همکاران [۱۰] تاثیر زاویه قرارگیری دفع کننده حرارتی با پرههای جداکننده را بر عملکرد حرارتی آن به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. هدف از این تحقیق، مطالعه رفتار حرارتی دفع کنندههای گرمایی حاوی ماده تغییر فاز دهنده برای کاربردهای متحرک نظیر گوشیهای تلفن همراه و سایر تجهیزات الکترونیک بود. با تغییر زاویه مخزن در محدود زاویه ۶ تا ۱۸۶ درجه تغییر قابل ملاحظهای در عملکرد سیستم مشاهده نشد.

در این مقاله فرآیند ذوب ماده تغییر فاز دهنده در مبدل دو لولهای حاوی ماده تغییر فاز دهنده با افزودن پره بر روی لوله داخلی جهت بهبود نرخ ذخیرهسازی انرژی مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج تحقیق حاضر به درک هر چه بهتر فرآیند ذوب ماده تغییر فاز دهنده و نقش جریان جابهجایی آزاد در حضور پره بر سرعت جذب انرژی گرمایی کمک میکند. نتایج حاصل میتواند مورد توجه محققین و طراحان سیستمهای ذخیره کننده انرژی گرمایی بر مبنای مواد تغییر فاز دهنده قرار گیرد.

.۲ معادلات حاکم و روش حل

فرآیند تغییر فاز در داخل مبدل دو لولهای افقی را میتوان به صورت دو بعدی در نظر گرفت و از تغییرات مولفههای جریان و دما در راستای عمق مخزن صرف نظر نمود. در این حالت ماده تغییر فاز دهنده فضای بین دو لوله را پر میکند. به منظور مدلسازی عددی فرآیند تغییر فاز جامد-مایع از روش آنتالپی-تخلخلٌ استفاده میشود. در این روش از یک شبکه ثابت استفاده شده و مکان سطح مشترک جامد-مایع به صورت ضمنی در هر لحظه تعیین میشود. معادلات پیوستگی، بقای مومنتوم و انرژی به صورت زیر بیان میشوند:

.u۰ (۱)

۱ Enthalpy-Porosity