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
نگارنده:
مجتبی سمنانی نژاد
پاییز 1393
سپاسگزاری:
بر خود لازم می‌دانم از زحمات بی‌شائبه اساتید ارجمندم جناب آقای پروفسور گرجی و جناب آقای دکتر دومیری گنجی که مرا در انجام این پروژه یاری نمودند، تشکر و قدردانی نمایم.
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: مقدمه1
1- 1مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟2
1- 2تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده2
1- 3چگونگي عملكرد مواد تغيير فاز دهنده2
1- 4 خصوصیات مواد تغییر فازدهنده4
1- 5انواع مختلف مواد تغییر فاز دهنده5
1- 6فرایند تغییر فاز7
1- 7کاربردهای مواد تغییر فازدهنده 9
1-7-1كاهش نوسانات دمايي در داخل ساختمان 11
1-7-2استفاده از ماده تغيير فازدهنده در سيستمهاي خورشيدي 11
1-7-3مواد تغییر فاز دهنده و کاربرد آنها در منسوجات12
1-7-3-1 فضانوردی13
1-7-3-2 البسه ورزشی13
1-7-3-3 لوازم خواب13
1-7-3-4 کاربردهای پزشکی14
1- 8روش های ذخیره انرژی 14
1-8-1ذخیره انرژی مکانیکی 14
1-8-2ذخیره انرژی الکتریکی 14
1-8-3ذخیره انرژی گرمایی 14
1-8-4ذخیره انرژی ترموشیمیایی 15
1- 9مواد تغییر فاز دهنده و ذخیره سازی انرژی 15
1-9-1بازیافت اتلافات حرارتی در سیستم هاي تبرید تراکمی 18
1-9-2بازیافت اتلافات حرارتی در ساختمانها و گلخانه ها 19
1- 10روشهای افزایش انتقال حرارت 20
1-10-1میکروکانالها 21
1-10-2مواد افزودنی به مایعات21
1-10-3استفاده از نانو سیال 22
1-10-4استفاده از سطوح گسترش یافته 23
1-10-5 استفاده از پره‌های مخلوط کننده 24
1-10-6افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای 25
1-10-7تزریق 25
1-10-8 مکش 25
1-10-9ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان 26
1-10-10 نوسان سطح و سیال 26
فصل دوم : مروری بر کارهای گذشته 27
2-1بررسی پیشینه کارهای انجام شده28
فصل سوم مدل سازی و تحلیل نتایج43
3-1مقدمه44
3-2شبیه سازی مسئله44
3-2-1مقدمه ای بر دینامیک سیالات محاسباتی44
3-2-2مقدمه ای بر فلوئنت46
3-2-3هندسه مسئله49
3-2-4 شبکه بندی51
3-2-5حل مستقل از شبکه و حساسیت بازه زمانی57
3-3معادلات حاکم در این تحقیق61
3-3-1شرایط مرزی و اولیه62
3-4اعتبار سنجی63
3-5بررسی نتایج66
3-5-1بررسی اثر تعداد پره ها66
3-5-2 بررسی اثر ارتفاع پره ها70
3-5-3بررسی اثر ضخامت پره ها74
3-5-4 بررسی اثر جدا نمودن ماده تغییر فاز دهنده توسط پره ها78
3-5-5بررسی اثر تغییرات جنس مبدل82
3-5-6بررسی اثر تغییرات دمای سیال 86
فصل چهارم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات91
4-1نتیجه‌گیری92
4-2پیشنهادات برای ادامه کار93
مراجع95
فهرست شکل‌ها
عنوانشماره صفحهشکل 1-1 نمودار عملكرد ماده تغيير فازدهنده3شکل 1-2 تغییر دما طی فرایند ذوب و انجماد 4شکل 1-3 مخزن جاذب انرژي محتوي PCM7شکل 1-4 دسته بندي ابهت از مواد ذخیره ساز انرژي8شکل 1-5 ظرفیت گرمایی مواد مختلف در مقایسه با مواد تغییر فاز دهنده[23]16شکل 1-6 پارافین واکس17شکل 1-7 روشهاي بهبود نرخ انتقال حرارت به کار گرفته شده در مواد تغییر فاز دهنده18شکل 1-8 بازیافت گرماي خروجی ناشی از چگالش مبرد در کندانسورها با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده19شکل 1-9 شماتيك يك ميكروكانال سينك گرمايي [28]21شکل 1-10 نمونه‌ای از کاربرد سطوح گسترش یافته 24شکل 1-11 نمونه‌هایی از کاربرد سطوح گسترش یافته 24شکل 1-12 نمونه‌ای از پره مخلوط‌کننده]32[25شکل 2-1 نمای بیرونی از جلوی مبدل حرارتی لابات و همکاران]39[30شکل2-2 طرح شماتیکی از سیستم ذخیره سازی انرژی حرارتی مصطفی و همکاران [40]31شکل 2-3 سیستم آزمایشگاهی پابلو و همکاران [41]32شکل 2- 4 نمونه ای از مدل فیزیکی مورد بررسی وانگ و یانگ [42]33شکل 2- 5 فرایند ذوب در یک استوانه با دیواره گرم [49]35شکل 2- 6 محفظه مستطیلی با پره های افقی چسبیده به دیواره های عمودی گرم شده [57]38شکل 2- 7 حرکت سیال در فرایند ذوب a) محفظه ضخیم تر b) محفظه نازک [58]39شکل 2- 8 تجهیزات آزمایشگاهی آگنیم و همکارن ]60[40شکل 2- 9 سیستم آزمایشگاهی مورد بررسی عبیدی و همکاران[63]42شکل 3-1 الف) هندسه مورد بررسی ب) ابعاد مبدل سه لوله ای50شکل 3-2 انواع شبکه : الف) با سازمان ب) بی سازمان51شکل 3-3 نمایی از شبکه ایجاد شده برای الف)مبدل بدون پرهب) دیواره بیرونی مبدل ج)دیواره داخلی مبدل53شکل 3-4 نمایی از شبکه ایجاد شده برای مبدل همراه با پره با ضخامت های مختلف54شکل 3-5 نمایی از شبکه ایجاد شده برای مبدل همراه با پره با ارتفاع های مختلف55شکل 3-6 نمایی از شبکه ایجاد شده برای مبدل همراه با تعداد پره های مختلف56شکل 3-7 نمایی از شبکه ایجاد شده برای مبدل همراه با تعداد مختلف واحدهای تفکیک شده ماده تغییر فاز دهنده57شکل 3-8 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان برای چهارشبکه‌ مختلف58شکل 3-9 تغییرات دما بر حسب زمان برای چهارشبکه‌ مختلف59شکل 3-10 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان جهت بررسی حساسیت به بازه زمانی در هندسه مبدل حرارتی بدون پره60شکل 3-11 الف) سیستم آزمایشگاهی عبیدی و همکاران[63] ب) نحوه قرارگیری ترموکوپل ها65شکل 3-12 مقایسه تغییرات دما بر حسب زمان برای مدل حاضر با مدل عبیدی و همکاران[63]66شکل 3-13 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان با افزایش تعداد پره67شکل 3-14 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش تعداد پره68شکل 3-15 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش تعداد پره70شکل 3-16 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان با افزایش ارتفاع پره71شکل 3-17 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش ارتفاع پره73شکل 3-18 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش ارتفاع پره74شکل 3-19 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان با افزایش ضخامت پره75شکل 3-20 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش ضخامت پره77شکل 3-21 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش ضخامت پره78شکل 3-22 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان با افزایش واحد های تفکیک شده ماده تغییر فاز دهنده79شکل 3-23 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش واحد های تفکیک شده ماده تغییر فاز دهنده81شکل 3-24 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب افزایش واحد های تفکیک شده ماده تغییر فاز دهنده82شکل 3-25 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان برای انواع مختلف جنس مبدل83شکل 3-26 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب تغییرات جنس مبدل85شکل 3-27 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب تغییرات جنس مبدل86شکل 3-28 تغییرات کسر مایع بر حسب زمان برای دماهای مختلف سیال87شکل 3-29 کانتور دما با گذشت 1000 ثانیه بر حسب تغییرات دمای سیال89شکل 3-30 کانتور کسر مایع با گذشت 1000 ثانیه بر حسب تغییرات دمای سیال90فهرست جداول‌
عنوانشماره صفحهجدول 3-1 خواص ماده تغییر فاز دهنده (پارافین)63جدول 3-2 مقایسه زمان ذوب پارافین با افزایش تعداد پره67جدول3-3 مقایسه زمان ذوب پارافین با افزایش ارتفاع پره72جدول3-4 مقایسه زمان ذوب پارافین با افزایش ضخامت پره76جدول3-5 مقایسه زمان ذوب پارافین با افزایش واحد های تفکیک شده ماده تغییر فاز دهنده80جدول3-6 مقایسه زمان ذوب پارافین با تغییرات جنس مبدل84جدول3-7 مقایسه زمان ذوب پارافین با تغییرات دمای سیال88

فصل اول
مقدمه
1-1 مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟
(Phase Change Material) PCM به مواد تغييرفاز دهنده گفته ميشود. اين مواد تركيبات آلي يا معدني هستند كه قابليت جذب و ذخيره پنهان مقادير زيادي از انرژي گرمايي را درون خود دارند. ذخيره انرژي گرمايي در اين مواد، در طي فرآيند تغيير فاز (تغيير حالت از جامد به مايع يا بالعكس) اتفاق ميافتد. اين مواد به هنگام تغيير فاز از جامد به مايع يا از مايع به جامد، اين گرما را از محيط جذب نموده و يا به محيط پس مي دهند. ماده تغيير فازدهنده قابليت آن را دارد كه اين انرژي نهفته گرمايي را بدون هيچگونه تغييري حتي پس از هزاران چرخه تغيير فاز، درون خود حفظ نمايد. اين مواد در صورت استفاده در ساختمان، از طريق چرخه هاي متوالي ذوب و انجماد در تغييرات شديد دماي هوا (مثلا بين شب وروز)، مقادير زيادي گرما را با محيط تبادل نموده و از اين طريق دماي هواي متعادل تري را براي فضاي داخل ساختمان تامين مي نمايند]1[.
1-2 تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده:
اولين گزارشها مبني بر كاربرد اين مواد در ساختمان از 1940 به صورت نوظهور مطرح شد. سپس استفاده از اين مواد در ساختمان از دهه 1980 به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و امروزه استفاده از آنها در صنعت ساختمان از جايگاه ويژه اي برخوردار شده است. اين مواد را ميتوان در ساختمان و در اجزايي مجزا براي كاربردهاي گرمايش و سرمايش به كار برد از جمله كركره ، ديوار رو به خورشيد، تخته گچ، سيستمهاي گرمايش كف و تخته هاي سقفي . همچنین بعد از جنگ جهانی دوم براي ساختن نخستین ذخیره کننده در خانه خورشیدي به عنوان PCM از این مواد استفاده شد.
1-3 چگونگي عملكرد مواد تغيير فاز دهنده:
مواد در طبيعت در سه فاز مايع، جامد و گاز وجود دارند. در صورتي كه ماده اي از يك فاز به فاز ديگر تغيير حالت دهد، مقداري گرما را كه گرماي نهان ناميده ميشود، جذب يا آزاد مينمايد. به عنوان مثال، يك ماده جامد پس از گرم شدن و رسيدن به نقطه ذوب خود، به جذب حجم بالايي از انرژي (كه گرماي نهان ذوب ناميده ميشود) پرداخته و حالت خود را از جامد به مايع تغيير ميدهد. مواد تغيير فاز دهنده اين خاصيت را دارند كه حالت خود را در يك دامنه دمايي مشخص تغيير دهند، به اين مفهوم كه طي فرآيند تغيير حالت، دماي خود را براي طول مدت تغيير حالت حفظ مينمايند. در واقع، روش كار اين مواد براي ذخيرة انرژي گرمايي به اين صورت است كه طي فرايند گرم شدن محيط، به صورت موازي با محيط گرم ميشوند تا زماني كه به دماي ذوب خود (تغيير فاز) برسند]2[.
پس از رسيدن به اين دما عليرغم اينكه دماي محيط همچنان به روند افزايشي خود ادامه ميدهد، دماي اين مواد و البته محيط اطراف آن به دليل اينكه در حال تغيير فاز است، ثابت مانده و در برابر افزايش دما مقاومت مينمايد. در واقع، طي اين بازه زماني كه معمولاً چند ساعت نيز به طول مي انجامد، ماده تغيير فازدهنده مقادير زيادي از گرماي محيط را به خود جذب مينمايد، ولي آن را صرف افزايش دماي خود نميكند، بلكه اين گرماي جذب شده را صرف تغيير فاز خود از جامد به مايع نموده و طي فرايند تغيير فاز، دماي خود و محيط اطراف خود را ثابت نگاه ميدارد. اين روند تغييرات دمايي و جذب انرژي گرمايي در شكل1-1 بخوبي قابل مشاهده است]3[. در منطقه مربع شكل سفيد رنگ، فرآيند تغيير فاز در حال شكل گرفتن بوده و در همين منطقه است
كه انرژي گرمايي جذب شده توسط ماده درون آن ذخيره مي شود.

شكل 1-1 : نمودار عملكرد ماده تغيير 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 مي 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 انرژي را به صورت گرماي نهان ذوب ذخیره می کند. این مواد به میزان 5 الی 14 برابر موادي مانند سنگ یا آب که به صورت محسوس می توانند انرژي را در خود ذخیره کنند،ذخیره می کنند.
انتخاب نوع PCM بستگی به کاربرد و دماي طراحی سیستم دارد.دماي عملکرد سیستم جهت گرمایش یا سرمایش بایستی متناسب با دماي تغییر فاز PCM باشد. ظرفیت بالاي ذخیره سازي انرژي حرارتی سبب میسر شدن ساخت ذخیره کننده هاي کوچک گردیده است و این ویژگی باعث کاربردي تر شدن این سیستم ها در مراکز صنعتی و تجاري که با محدودیت ابعادي مواجه هستند،شده است]6[. هر چه گرماي 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 براي دسته بندي PCM ها ارائه دادند .روش اول،دسته بندي بر اساس، ساختمان ماده تغییر فاز دهنده و روش دوم دسته بندي بر اساس دماي تغییر فاز می باشد .در روش اول PCM ها از لحاظ ساختمانی به دو دسته مواد داراي ترکیبات آلی، غیر آلی و آلیاژي تقسیم می شوند. PCM هاي آلی نیز خود به دو دسته پارافینی و غیرپارافینی طبقه بندي می شوند. در قیاس PCM هاي پارافینی و غیر پارافینی می توان به گرماي 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 سازگاري با مخازن پلاستیکی و بالا بودن نسبی قابلیت اشتعال آن است.
پارافین هاي آلی،که بیشتر به اسید هاي چرب معروف هستند، فراوان ترین PCM ها با خواص بسیار متغیر هستند. بر خلاف پارافین ها که داراي تشابه خواص هستند، هر کدام از این مواد داراي ویژگی هاي منحصر به فرد خود می باشند. از جمله می توان به بالا بودن گرماي نهان ذوب،سطح سمی بودن متغیر و عدم تعادل در دماي بالا اشاره کرد. مشکل این نوع مواد بالا بودن هزینه آنها در قیاس با پارافین هاست تا دو برابر و نیم است، همچنین اسیدها داراي خورندگی نسبی هستند.
PCM هاي غیرآلی نیز که بیشتر از مواد آلی معمولی هستند،موادي هستند که داراي ترکیبات کربن در ساختار خود نیستند.کاربرد این مواد در خنک کاري هاي شدید پدیده هائیست که تغییرات دمائی منظمی ندارند. از مشکلات عمومی PCM هاي 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 اي که داراي ساختمان کریستالی بوده و قابلیت حل بالایی را در PCM دارد،درصدد رفع این مشکل برآمدند.
همانطور که در قبل اشاره شد،دیگر دسته بندي که بر اساس دماي تغییر فاز می باشد،PCM ها را به سه دسته:یوتکتیک، هیدارت نمک ها و مواد آلی تقسیم می کند. یوتکتیک ها نمک هاي محلول در آب هستند که دماي تغییر فاز آنها کمتر از صفر درجه سلسیوس است. هیدارت نمک ها یا نمک هاي هیدارته شده، نمک هایی هستند که دماي تغییر فاز آنها بالاي 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 براي سیستم هاي ذخیره انرژي گرمایی نهان استفاده می شوند . از ویژگی هاي مطلوب می توان به گرماي نهان ذوب بالا،هدایت گرمایی نسبتا بالا، خورندگی کم،کم بودن میزان سمی بودن،تغییر حجم کم در هنگام ذوب،سازگاري با مخازن پلاستیکی و همچنین ارزان بودن آنها اشاره کرد]12[.
مشکل اصلی این نوع PCM ها از آنجایی که داراي نرخ هسته گذاري پایین هستند می بایست فوق تبرید شوند و به همین دلیل انرژي به جاي تخلیه در دماي ذوب،در دماي پایین تري 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.
براي کاربردهاي تجاري و صنعتی، PCM ها باید داخل یک پوشش آب بندي شده قرار گیرند.دماي کاري 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 بندي نمود تا بتوان با به کار بردن آن در مخزن جاذب انرژي حرارتی،حرارت را به سیال موجود در سیستم (آب یا هوا) منتقل کرد. مطابق شکل 1-3 بایستی بین بسته هاي PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژي حرارتی انجام شود.
شکل 1-3 : مخزن جاذب انرژي محتوي 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 كم دارای سه جزء زیر باشند]13[:
ماده ی تغییر فازدهنده مناسب که ذوب آن در محدوده مطلوب باشد.
سطح مبدل حرارتی مناسب
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 بندي مفیدي براي مواد ذخیره ساز انرژي گرمایی ارائه داد که درشکل 1-4 آورده شده است]14[.
شکل 1-4 : دسته بندي ابهت از مواد ذخیره ساز انرژي
همانطور که ازشکل 1-4 دیده می شود و در قبلتر هم بدان اشاره گردید،اساس کار ذخیره گرماي نهان بر مبناي تغییر فاز ایزوترمال است. تغییر فاز می تواند به حالات: جامد-جامد، جامد-مایع، جامد-گاز، مایع-گاز و بالعکس باشد.در تبدیل جامد-جامد، به هنگامه تغییر حالت بلورین ماده،گرما ذخیره می شود. در حالت کلی این تغییر گرماي نهان و تغییر حجم کمتري نسبت به تبدیل هاي جامد-مایع دارد. از مزایاء آن می توان به کمتر سخت بودن و انعطاف پذیري بیشتر محفظه هاي نگهداري در طراحی اشاره کرد.اما از طرفی این تغییر فاز بسیار کند بوده و انرژي حرارتی زیادي منتقل نمی کند. تعداد کمی از مواد به عنوان تغییر فاز دهنده جامد-جامد شناخته می شوند.
تغییر فازهاي جامد-گاز، مایع-گاز با وجود داشتن گرماي نهان تغییر فاز زیاد، به دلیل تغییر حجم زیاد آنها در هنگام تغییر فاز و همچنین بالا بودن فشار مورد نیاز براي ذخیره گاز، کاربرد لازم و مطلوب را در سیستم هاي ذخیره کننده انرژي نخواهند داشت.
تغییر فاز جامد-مایع،هر چند گرماي نهان نسبت به مایع-گاز کمتر است، اما کمتر بودن تغییر حجم آن(در
حدود10 %)،کاربردپذیري آن در سیستم هاي ذخیره سازي انرژي افزایش داده و از منظر اقتصادي جاذبه بیشتري جهت بررسی خواهد داشت. این تغییر فاز در واقع از پیوند هاي شیمیایی براي ذخیره و آزاد سازي انرژي حرارتی استفاده می کند.
بنابراین شالوده اصلی روش ذخیره گرماي نهان بر پایه ماده تغییر فاز دهنده که به اصطلاح مواد تغییر فاز دهنده نامیده می شود بنا نهاده شده است. انتقال حرارت بالا بدون تغییر محسوس دما باعث شده است تا مواد تغییر فازدهنده به عنوان یکی از روش هاي جالب براي ذخیره انرژي گرمایی در فرآیند هاي عملی مطرح شود.
1-7 کاربردهای مواد تغییر فازدهنده :
PCM ها کاربردهاي بسیار گسترده ای در صنایع مختلف از جمله نساجی، ماهواره ها، مخابرات و پزشکی با توجه به دماي تغییر حالتشان دارند. موادي که زیر 15 درجه سانتیگراد ذوب می شوند، براي تهویه هوا و در خنک کاري هاي شدید در پدیده هایی که تغییر دمایی منظمی ندارند مورد استفاده قرار میگیرند. موادي که بالاي 90 درجه سانتیگراد ذوب می شوند در جاهایی که دما به طور ناگهانی ممکن است بالا روند، جهت جلوگیري از حریق کاربرد دارند]15[.
در ساختمان هاي مسکونی که 40 % و سوله هاي صنعتی و کارخانه ها که نزدیک 55 % از انرژي را مصرف می کنند کاربرد دارد. اهمیت آنها وقتی مضاعف خواهد شد که می بینیم نقش بازیافت و بهینه سازي مصرف انرژي در مدیریت انرژي جنبه مهمی می یابد و به کاربردن این مواد به طور مثال در دیواره هاي شرقی و غربی در حدود 29 % ودر دیواره هاي شمالی و جنوبی یک منزل مسکونی در حدود 19 % بازیافت انرژي خواهد داشت.
هدف از استفاده از PCM ها در ساختمان به دو دلیل عمده است:
بهره گیري از گرماي طبیعی خورشید جهت سرمایش و گرمایش
بهره گیري از گرماي ذخیره شده توسط سیستم هاي سرمایشی و گرمایشی
براي استفاده کردن از PCM ها به منظور تحقیق اهداف فوق,سه راه کلی وجود دارد:
PCM ها در دیوار ساختمان
PCM ها در سقف و کف
PCM در مخازن ذخیره کننده سرد و گرم
از طرق دیگر به کارگیري PCM در ساختمان می توان به کرکره PCM ، دیوار PCM رو به خورشید، سیستم هاي گرمایش کف و تخته هاي سقفی PCM اشاره کرد. با قرار دادن PCM در سقف کاذب از انها به عنوان بخشی از سیستم گرمایشی و سرمایشی استفاده می شود. همچنین با استفاده از دیوار مجهز به PCM می توان به کاهش بار سیستم تهویه مطبوع کمک کرد. استفاده از PCM در دیواره ها علاوه بر سبک تر شدن آنها,سبب ذخیره شدن انرژي می گردد. این مواد معمولا از جنس هیدروکربن ها یا نمک هاي هیدارته هستند که به همراه مواد افزودنی آهنی جهت افزایش ضریب هدایت هدایت حرارتی به کار می روند.
گرمایش تشعشعی از کف در قیاس با جابجایی به دلیل ایجاد گرمایش مطلوب تر و کمتر اشغال شدن فضا بهتر است. با به کارگیري PCM در مصالح کف و فرض گرمایش الکتریکی، می توان از مصرف انرژي الکتریکی کاست.در این روش,به هنگام شب که مصرف برق کمتر می باشد، با روشن شدن سیستم الکتریکی،ماده PCM ذوب شده و گرما را در درون خود ذخیره می کند و در روز با قطع شدن جریان گرما به محیط پس داده می شود که علاوه بر صرفه جویی فوق الذکر در مصرف برق،تولید برق توسط نیروگاه ها متوازن می گردد.
1-7-1 كاهش نوسانات دمايي در داخل ساختمان
اصلي ترين سياست طراحي اقليمي ساختمان، مقابله در برابر نوسانات شديد دمايي محيط پيرامون در فصول مختلف است. ساختمان اصولي از لحاظ اقليمي بايستي داراي اين قابليت باشد كه بتواند از نفوذ گرماي تابستان به داخل و از خروج گرماي داخل به خارج در فصل زمستان جلوگيري نمايد. از اين طريق، با كاهش نوسانات داخلي دما ميتوان آسايش نسبي را براي ساكنين ساختمان فراهم نمود. ماده تغییر فازدهنده میتواند به صورت هوشمندانه و بدون استفاده از تجهيزات مكانيكي از طريق همساز شدن با نوسانات دمايي محيط، از شدت اين نوسانات كاسته و از اين طريق دماي هواي متعادل تري را براي فضاي داخل ساختمان ايجاد نمايد. در صورت استفاده از چنين تكنيكي، ميتوان به طور قابل ملاحظه اي از كاركردن تجهيزات مكانيكي سرمايشي و گرمايشي در ساعات اوج مصرف كاست]16[.
1-7-2 استفاده از ماده تغيير فازدهنده در سيستمهاي خورشيدي
يكي از ظرفيتهاي مواد تغييرفازدهنده براي ذخيره انرژي خورشيدي در ساختمانهايي است كه قابليت جمع آوري انرژي خورشيدي با استفاده از گردآورنده هاي خورشيدي را دارا هستند. در صورت استفاده از مواد تغييرفازدهنده در چنين سيستمهايي، ميتوان حجم بالايي از انرژي خورشيدي را در طول ساعات روز ذخيره نموده و در طول ساعات شب از همين انرژي براي گرمايش استفاده نمود. مواد تغييرفازدهنده در اين سيستم ها معمولاً در محفظه هاي نازكي كه با آرايش صفحه ها روي هم قرار گرفته اند، نگهداري مي شوند و سپس سيال انتقال حرارت از بين اين صفحات و در تماس غير مستقيم با اين مواد حركت مي كند. روش كار در اين سيستم ها بدين صورت است كه انرژي جمع آوري شده توسط گردآورنده ها در روز موجب گرم شدن سيال انتقال حرارت (معمولاً آب) ميشود. سپس آب گرم شده گرماي خود را به صفحات حاوي ماده تغيير فازدهنده تحويل مي دهد و ماده مذكور اين گرما را در قالب گرماي نهان دريافت نموده و آن را صرف تغيير فاز خود از جامد به مايع مينمايد. در طول ساعات شب، آب سرد جايگزين آب گرم درون سيستم ميشود. مواد تغيير فاز دهنده نيز به دليل كاهش دما، فرايند انتقال فاز خود را به صورت برعكس (از مايع به جامد) طي ميكند و لذا حجم گرماي دريافتي در طول روز را به آب سرد پس داده و سبب گرم شدن آب ميشود]17,18[. سپس از آب گرم حاصل جهت گرمايش ساختمان استفاده مي شود. براي افزايش كارايي چنين سيستم هايي، نياز به تكنيك هايي است كه فرايند انتقال حرارت بين ماده تغيير فاز دهنده و سيال انتقال گرما را به حداكثر برساند و اكثر مطالعات نيز در همين زمينه صورت گرفته است.
1-7-3 مواد تغییر فاز دهنده و کاربرد آنها در منسوجات
اصول بنیادی علم به طور گسترده ای برای تولید منسوجات نو و ابتکاری استفاده می شود.یکی از این اصول تغییر فاز است،یعنی تبدیل از یک حالت فیزیکی به حالت دیگر. امروزه الیاف و منسوجاتی که خاصیت تطبیق دارند،بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. این خاصیت می تواند توسط استفاده از مواد تغییر فاز دهنده (Phase Change Material) حاصل شود. یکی از راه های موثر ذخیره انرژی گرمایی، به کارگیری مواد تغییر فازدهنده می باشد.
تکنولوژی جادادن میکروکپسول های مواد تغییر فازدهنده درون منسوج و الیاف تنظیم کننده دما در اوایل دهه 1980 در برنامه تحقیقاتی ناسا توسعه یافت. هدف اصلی استفاده از این پارچه ها در لباسهای فضانوردان، برای محافظت در برابرتغیرات دمای بسیار بالا درفضای خارجی بود.
امروزه تولیدکنندگان می توانند از مواد تغییر فازدهنده در سطح وسیعی برای بهبود راحتی گرمایی پوشاک استفاده کنند.
مواد تغییر فاز دهنده ای که در دمایی کمتر یا بیشتر از دمای بدن تغییر فاز می دهند، برای استفاده در کاربردهای نساجی مناسب می باشند. از آنجا که تغییر فاز یک فرآیند دینامیک است، بنابراین مواد، بسته به میزان فعالیت فیزیکی بدن و دمای بیرون، دائماً ازحالتی به حالت دیگر تغییر می کنند. خاصیت تنظیم دما در الیاف بشر ساخت توسط افزودن میکروکپسول های ماده تغییر فاز دهنده درون محلول پلیمری قبل از اکستروژن لیف قابل حصول می باشد. در این فرآیند میکروکپسول های ماده تغییر فاز دهنده درون لیف گنجانده می شوند]19[.
کاربردهای منسوجات حاوي مواد تغییر فاز دهنده شامل البسه، پتو، پزشکی، عایق بندی، محافظتی و بسیاری دیگر است. در ادامه، مختصری از کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در زمینه نساجی توضیح داده می شود.
1-7-3-1 فضانوردی
از نخستین مصارف تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده، استفاده در دستکش ها و لباس های فضانوردی است که از فضانوردان در برابر سرمای زیاد، محافظت می کند.
1-7-3-2 البسه ورزشی
گرمای تولید شده توسط بدن حین فعالیت ورزشی اغلب به مقدار لازم به محیط اطراف انتقال داده نشده و این امر باعث بروز تنش حرارتی می شود. وجود ماده تغییر فاز دهنده می تواند این گرمای اضافی را جذب نموده و در فرصت مناسب آن را آزاد کند. دستکش های اسنوبرد، لباس زیر و لباس کوهنوردی، لباس زیر برای دوچرخه سواری و دو، چکمه های اسکی، چکمه های کوهنوردی، چکمه های راننده های رالی، کلاه و دستکش موتورسواری و کفش گلف مثال هایی از کاربردهای مواد تغییرفازدهنده در البسه ورزشی می باشند.
1-7-3-3 لوازم خواب
میکروکپسول های تعبیه شده درون لحاف، بالش و تشک ها، کنترل فعال دما در رختخواب را امکان پذیر می سازند. هنگامی که بدن گرم می شود، گرمای اضافه جذب شده و بدن خنک می ماند و هنگامی که بدن سرد شود گرمای جذب شده آزاد شده و بدن همچنان گرم نگه داشته می شود.
1-7-3-4 کاربردهای پزشکی
پارچه های عمل شده با PEG در مصارف پزشکی و بهداشتی که انتقال مایعات و خواص ضدمیکروبی مورد انتظار را تامین می نمایند (نظیر باندهای جراحی و پوشک)، قابل استفاده می باشند. همچنين منسوجات حاوی مواد تغییر فاز دهنده که می توانند دمای پوست را در محدوده راحتی ثابت نگه دارند، در بانداژها کاربرد دارند.
1-8 روش های ذخیره انرژی
خصوصیات اساسی هر سیستم ذخیره انرژی با استفاده از فاکتورهای چگالی انرژی و چگالی توان ، بازده سیکل , دشارژ خود به خود، عمر سیکل و طول عمر برمبنای سال تشریح می شود. برخی از روشهای ذخیره انرژی به شرح ذيل می باشد]20,21,22[:
1-8-1 ذخیره انرژی مکانیکی
سیستم های ذخیره انرژی مکانیکی شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره انرژی هوای فشرده و چرخ دوار می باشد.
1-8-2 ذخیره انرژی الکتریکی
ذخیره انرژی توسط باتری ها نمونه ای از ذخیره انرژی الکتریکی است.
1-8-3 ذخیره انرژی گرمایی
انرژی گرما یی می تواند توسط تغییرانرژی درونی ماده به شکل های گرمای محسوس، گرمای نهان یا ترکیبی از این ذخیره شود.
ذخیره گرمای محسوس: در ذخیره گرمای محسوس(SHS) انرژی گرمایی توسط افزایش دمای جامد یا مایع ذخیره می شود.آب به واسطه ارزان بودن و داشتن گرمای ویژه بالا،بهترین SHS مایع محسوب می شود.
ذخیره گرمای نهان: ذخیره گرمای نهان (LHS) بر مبنای جذب یا رهاسازی گرما هنگام تغییر فاز ماده از جامد به مایع است.
1-8-4 ذخیره انرژی ترموشیمیایی
سیستم های ترموشیمیایی وابسته به انرژی جذب شده یا رهاشده هنگام شکستن یا تغییر فرم پیوندهای مولکولی در یک واکنش شیمیایی کاملا برگشت پذیر است.
از میان روش هاي مذكور، ذخیره انرژی گرمای نهان به دلیل قابلیت ایجاد چگالی بالای ذخیره انرژی و ذخیره انرژی در دمای ثابت (دمای تغییر فاز ماده ی تغیر فازدهنده) از اقبال بیشتری برخوردار است.
1-9 مواد تغییر فاز دهنده و ذخیره سازی انرژی
با گسترش صنایع و شهرها و با ادامه یافتن افزایش تولید گازهاي گلخانه اي، کره ي زمین لحظه به لحظه در حال گرمتر شدن است. گرم شدن کره ي زمین باعث ذوب شدن یخ هاي در قطب هاي شمال و جنوب و ایجاد فجایع زیست محیطی می شود. از طرفی دانشمندان معتقدند که با توجه به تقاضا براي رفاه بیشتر نمی توان جلوي پیشرفت صنایع و شهرها را گرفت. پس بنابراین محققین در این چند سال اخیر به دنبال راه های گوناگون ذخیره سازي انرژی اتلافات حرارتی به فرم هاي مناسب، جهت استفاده ي دوباره هستند.
ذخیره ي انرژي نه تنها باعث کاهش شکاف بین عرضه و تقاضاي انرژي می شود بلکه عملکرد و قابلیت اعتماد به سیستم هاي تولید کننده ي انرژي را افزایش می دهد و نقش بسیار مهمی را در ذخیره ي انرژي بازي میکند. این سیستم باعث می شوند که با جمع آوري اتلافات انرژي در هزینه ها صرفه جویی شود. به عنوان مثال، وسایل ذخیره سازي انرژي حرارتی میتوانند باعث بهبود عملکرد نیروگاههاي تولید توان به وسیله ي کاهش سطح بار و کارایی بالاتر آنها شود و منجر به ذخیره سازي و صرف هزینه هاي کمتر شود. با توجه به نمودار پایین که مربوط به مصرف نهایی انرژي در بخشهاي مختلف اقتصادي (میلیون بشکه معادل نفت خام) و در سال 1385در ایران می باشد، اهمیت توجه به بازیافت اتلاف حرارتی را در بخش هاي مختلف نشان می دهد]23[.
یکی از تکنیکهاي ذخیره سازي انرژي حرارتی که اخیراً بسیار مورد توجه قرار گرفته است،ذخیره سازي انرژي حرارتی توسط مواد تغییرفاز دهنده است. مواد تغییر فاز دهنده موادي هستند که با استفاده از گرماي نهان، انرژي را ذخیره میکنند. انتقال انرژي حرارتی زمانی اتفاق میافتد که ماده از حالت جامد به مایع یا مایع به جامد تغییر حالت بدهد. به این تغییر حالت، تغییر فاز میگویند. مواد تغییر فاز دهنده در یک دماي تقریباً ثابت گرما را جذب و آزاد میکند. این مواد تقریباً بین 5 تا 14 برابر بیشتر از مواد دیگر همانند آب، گرما بر واحد حجم ذخیره میکنند (شکل1-5).
شکل 1-5: ظرفیت گرمایی مواد مختلف در مقایسه با مواد تغییر فاز دهنده[23]
شکل 1-6: پارافین واکس
مواد تغییر فاز دهنده به علت دارا بودن خواص مطلوب پیشرو به طور گسترده اي مورد استفاده قرار میگیرند]24[.
الف) خواص حرارتی:
دماي تغییر فاز مناسب
گرماي نهان تغییر فاز بالا
انتقال دهنده ي خوب حرارت
ب) خواص فیزیکی:
چگالی بالا
تغییر حجم کوچک در حین تغییر فاز
ج) خواص شیمیایی:
پایداري شیمیایی دراز مدت
سازگاري با مواد سازندهي سیستم
غیرسمی
غیر قابل اشتعال
د) اقتصادي:
فراوان و در دسترسی بودن
قیمت مناسب
شکل 1-7 : روشهاي بهبود نرخ انتقال حرارت به کار گرفته شده در مواد تغییر فاز دهنده
1-9-1 بازیافت اتلافات حرارتی در سیستم هاي تبرید تراکمی
بهره برداري از گرماي بازیافتی بدست آمده از گرماي خروجی سیستم هاي تهویه مطبوع براي تهیه ي آبگرم روزانه ایده ي جالبی می باشد. بازیافت گرماي خروجی ناشی از چگالش مبرد در کندانسورها با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده محصور شده درون یک ظرف مطابق شکل 1-8 صورت میگیرد. در تابستان سیستم هاي تهویه مطبوع مقدار عظیمی اتلافات حرارتی ایجاد می کنند که حدوداً 5/1 بار بیشتر از ظرفیت سرماي تولید شده توسط این سیستم ها است،این حرارت تلف شده موجب ایجاد آلودگی حرارتی در محیط می شود. به عبارت دیگر، حتی در تابستان ساختمانهاي زیادي به طور روزانه نیاز به آبگرم دارند، به طور کلی با استفاده از مصرف سوختهاي فسیلی با حداقل بازدهی تولید میشود. این مطلب منجر به مسائل زیست محیطی و کمبود منابع انرژي میشود. بین ساعات اوج استفاده ي وسایل تهویه ي مطبوع و استفاده از آبگرم هیچ تناسبی وجود ندارد، عمده ي استفاده از آبگرم در واحدهاي مسکونی در بعدازظهرمی باشد در حالی که اوج استفاده از وسایل خنک کاري در حدود اواسط روز صورت می گیرد]25[.
شکل 1-8 : بازیافت گرماي خروجی ناشی از چگالش مبرد در کندانسورها با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده
1-9-2 بازیافت اتلافات حرارتی در ساختمانها و گلخانه ها
در ساختمانها براي ثابت نگه داشتن دماي اتاق ها از مواد تغییر فاز دهنده در جداره دیوارها استفاده می شود. این مواد در هنگامی که دماي اتاق از یک حد مطلوب بیشتر می شود با جذب حرارت اضافی شروع به ذوب شدن می کنند و با ذخیره این حرارت براي زمانی که دماي اتاق به هر دلیلی کاهش می یابد این حرارت اضافی را به اتاق باز می گردانند.چنین نقش مشابهی به تازگی و در گلخانه ها مشاهده شده است. همانطور که می دانیم در گلخانه ها ثابت ماندن دما یک امر مهم و حیاتی است به همین منظور از مواد تغییر فاز دهنده در این بناها استفاده می شود]26,27[.
1-10 روشهای افزایش انتقال حرارت
مبدلهای حرارتی معمولاً جهت انتقال حرارت بین دو یا چند سیال با دماهای مختلف استفاده میشوند. محدوده کاربردی مبدلهای حرارتی بسیار گسترده است. به عنوان مثال مبدلهای حرارتی در صنایع تبرید، تهویه مطبوع، نیروگاهها، نفت و گاز و صنایع غذایی استفاده میشوند. در تمامی این کاربردها، هدف خنک نمودن سیال و یا گرم کردن سیال است. هر چند در برخی مواقع افزایش دمای یک سیال و کاهش دمای دیگری، هر دو هدف استفاده از مبدلها میباشند. بعضی مبدلهای حرارتی نیز به منظور تولید بخار (تبخیر) و یا تبدیل بخار به مایع (میعان) بکار میروند. از آنجا که  مبدلهای حرارتی به منظور انتقال حرارت بین جریان دو سیال بکار گرفته میشوند، به هنگام طراحی و ساخت آنها علاوه بر مسائل عملیاتی به شیوههای بهبود انتقال حرارت بین دو سیال توجه بسیاری میشود. به خصوص امروزه با اهمیت یافتن انرژی، روشهای افزایش میزان انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. افزایش میزان انتقال حرارت موجب کاهش اندازه مبدل(در نتیجه کاهش هزینه ساخت آن) و افزایش راندمان مبدل‌های حرارتی میگردد. به طور کلی روشهای افزایش انتقال حرارت در مبدلها به دو دسته روشهای فعال1 و روشهای غیرفعال2 تقسیم میشوند. در روشهای فعال نیاز به نیروهای خارجی میباشد. ایجاد میدانهای الکترواستاتیک، ایجاد ارتعاشات سطحی، ایجاد ارتعاشات سیال، سطوح چرخنده ، همزن مکانیکی، تزریق و مکش نمونههایی از روشهای فعال میباشد. در روشهای غیرفعال که کاربرد بیشتری دارند، ایجاد تغییراتی در هندسه سطح انتقال حرارت و یا استفاده از مواد افزودنی به سیال عامل موجب افزایش میزان انتقال حرارت میگردد. سطوح زبر، سطوح گسترش یافته، کویلها، ایجاد جریان چرخشی، افزایش کشش سطحی، موجی کردن سطوح، پره‌های مخلوط کننده، موانع مغشوش کننده جریان، نانوسیال‌ها و میکروکانال‌ها نمونههایی از روشهای غیرفعال میباشند. در اینجا به توضیح برخی از این موارد میپردازیم :
1-10-1 میکروکانالها
عملکرد میکروکانال‌ها بر اساس افزایش نسبت سطح انتقال‌دهنده حرارت می‌باشد . میکروکانال‌ها به طور گسترده در صنایع الکترونیک و فن‌آوری اطلاعات در حال استفاده می‌باشد برای مثال اغلب ميكروپروسسورها بوسيله سينك گرمايي خنك مي‌شوند. سينك گرمايي در واقع از مجموعه‌اي از ميكروكانال‌هاي مستطيلي تشكيل شده است كه با عبور سيال از داخل آنها گرماي ميكروپروسسور از طريق بدنه سينك گرمايي دفع مي‌شود .
شکل 1-9 شماتيك يك ميكروكانال سينك گرمايي [28]
1-10-2 مواد افزودنی به مایعات
افزودن ذرات جامد به صورت معلق در سیال پایه یکی از روش‌های افزایش انتقال حرارت می‌باشد. افزایش ضریب هدایت حرارتی ایده اصلی در بهبود مشخصه‌های انتقال حرارت سیالات است. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد فلزی معمولاً بزرگتر از سیالات می‌باشد، انتظار می‌رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پایه گردد. افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته شده می‌باشد]29[. اما استفاده از این ذرات بدلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار کوچک، میسر نیست. یکی دیگر از این روش‌ها تزریق گاز به داخل مایعات می‌باشد. با تزریق هوا به آب و اتیلن گلیکول افزایش تا 400% در ضریب انتقال حرارت مشاهده شده است]30[.
1-10-3 استفاده از نانو سیال
بکارگیری مبدل‌های حرارتی با قابلیت انتقال حرارت بالا و اندازه کوچک از نیازهای صنعت امروزی می‌باشد. سیالات معمولی از جمله آب دارای ضریب انتقال حرارت پایینی می‌باشند در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بسیار بالاتری نسبت به سیالات معمولی می‌باشند بنابراین می‌توان از ذرات ریز جامد و فلزی در اندازه نانو درون سیال جهت بهبود انتقال حرارت استفاده کرد. ایده افزودن ذرات ریز جامد درون سیالات معمولی جهت افزایش انتقال حرارت اولین بار توسط ماکسول ]10[ حدود یک قرن پیش مطرح شد اما به دلیل بزرگ بودن ذرات جامد فلزی ( در اندازه میلی و میکرو ) مشکلاتی نظیر ناپایداری و ته‌نشینی این ذرات به‌وجود آمد. کلمه نانوسیال اولین بار توسط چوی ]31[ برای توصیف سیالاتی با ذرات ریز جامد در اندازه نانو بکار برده شد. نانوسیال عبارت است از ذرات بسیار ریز جامد در ابعاد 1 تا 100 نانومتر معلق در یک سیال پایه. به طور معمول نانوذرات از جنس فلزاتی مانند مس ، آلومینیوم ، پتاسیم ، سیلسیم و اکسیدهای آنها و سیالات پایه نیز معمولا از سیالاتی با رسانایی حرارتی پایین مانند آب ، اتیلن گلیکول می‌باشد.
پیشرفت‌های اخیر در مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های جدید زمینه را برای تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانو مواد) فراهم کرده است. با پخش کردن این مواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می‌آید که نانوسیال نامیده می‌شود. ایده اصلی در این روش در واقع از همان روشِ اضافه کردن ذرات جامد به سیال گرفته شده است. نانو مواد خواص حرکتی و حرارتی سیال را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند. نانو ذرات در مقایسه با ذرات در اندازه میلی‌متر یا میکرومتر دارای سطح تماس بیشتری هستند که قابلیت انتقال انرژی را بین ذرات جامد و سیال افزایش می‌دهد. مزیت دیگر این نوع سیال کوچک بودن نانوذرات پخش شده در آن است. این ذرات دارای مومنتوم کمتری هستند که در نتیجه از خوردگی دیواره لوله‌ها و کانال‌ها جلوگیری می‌شود. امکان ته نشین شدن این ذرات بدلیل وزن کم آن کمتر است.
1-10-4 استفاده از سطوح گسترش یافته3
استفاده از سطوح گسترده یکی از باسابقه‌ترین و ساده‌ترین روش‌هایی است که در زمینه بهبود عملکرد دستگاه‌های حرارتی پیشنهاد شده است . اساس این روش این موضوع است که با افزایش سطح تماس جسم گرم (یا سرد) با سیال عامل می‌توان عملکرد حرارتی را بهبود بخشید. کاربرد سطوح گسترش یافته بسیار گسترده است و می‌توان به مواردی مانند مبدل‌های حرارتی ، یخچال‌ها، ترانسفورماتورهای برقی ، رادیاتورهای خودرو ، شوفاژها و قطعات الکترونیکی اشاره کرد . در شکل‌های 1-10 و 1-11 نمونه‌هایی از کاربرد سطوح گسترده در رادیاتور موتورسیکلت و قطعات الکترونیک نشان داده شده است. اگرچه موارد بسیاری وجود دارند که شامل ترکیبی از انتقال حرارت به صورت هدایت و جابجایی هستند. ولی اغلب موارد کاربرد آن برای افزایش انتقال حرارت بین یک جسم و سیال مجاور می‌باشد. چنین سطح گسترده‌ای، پره نامیده می‌شود. نمونه‌ای از کاربرد پره‌های افزایش انتقال حرارت استفاده از آنها در سردکردن بدنه موتورسیکلت‌ها و ترانسفورماتورهای الکتریکی می‌باشد.

شکل 1-10 نمونه‌ای از کاربرد سطوح گسترش یافته

شکل 1-11 نمونه‌هایی از کاربرد سطوح گسترش یافته
1-10-5 استفاده از پره‌های مخلوط کننده
پره‌های مخلوط کننده ، پره‌های ثابتی هستند که در جریان‌های داخلی نصب می‌شوند تا با تغییر الگو و آشفته کردن جریان سیال ضریب انتقال حرارت را بالا ببرند.
شکل 1-12 نمونه‌ای از پره مخلوط‌کننده[32]
1-10-6 افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید