مواد تغيير فاز دهنده تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي با استفاده از طلب بهنام بيگانه الدين سالاريان حسام 2 *1 دانشجوي كارشناسي ارشد مكانيك دانشگاه آزاد اسلامي نور.1 علمي مكانيك دانشگاه آزاد اسلامي نور 2. استاديار وعضوهيات اطلاعات مقاله 1394 دريافت مقاله: مرداد پذيرش مقاله: شهريور 1394 واژگان كليدي: ماده تغييرفازدهنده نانوذرات زمان ذوب شدگي سيستم ذخيره انرژي حرارتي چكيده ماده حرارتي جهت كاهش زمان ذوب دراين مقاله به بررسي روش عددي ذخيره انرژي در مبدل حرارتي دولوله اي با استفاده ازنرم افزارفلوي نت پرداخته شده است تغييرفازدهنده به ماده تغييرفازدهنده با با توجه به افزودن نانو ذرات آلومينيوم اكسيد و نانو ذرات مس ماده تغييرفازدهنده بررسي شده است در مختلف ميزان زمان ذوب شدگي درصد حجمي نامهاي پارافين و n اكتان استفاده شده دو ماده تغييرفازدهنده مختلف به اين تحقيق از حاصل را با نتايج تجربي حرارتي نتايج مدل سازي سيستم ذخيره انرژي وهمچنين براي و آدكمار وهمكارانش مقايسه گرديده است ونشان ميدهد كه نتايج عددي مدل جيس متي دبي از آن اثرات پارامترهايي همچون هم خواني بسيارخوبي با نتايج تجربي دارند وپس ورودي دماي سيال ورودي بر روي كاهش زمان ذوب ماده تغييرفازدهنده پرداخته شده تغييرفازدهنده پارافين به همراه نانوذره مس انتقال حرارت است. ونتايج نشان ميدهد ماده يافته وبا افزايش دبي انتفال حرارت بهبود آلومينيوم دارد پارافين ونانو ذره بهتري نسبت به مي يابد و همچنين با افزايش درصد حجمي كمي از نانو و نرخ مايع شدن پارافين افزايش موجب افزايش چشمگيري در انتقال حرارت ميشود واستفاده از نانوذرات ذرات در مخلوط حرارتي بيشتر بركارايي اين روش مي افزايد. با ضريب هدايت 1. مقدمه: انرژيهاي تجديد ناپذير روز به روز سازي نوين ذخيره درسالهاي اخيراستفاده ازمنابع جديد انرژي و ابداع روش هاي سازي انرژي حرارتي هستند. انرژي حرارتي تكنيكهاي كارامد در ذخيره بيشترشده است. استفاده از ماده تغييرفازدهنده يكي از حرارتي با انرژي محسوس انرژي ميتوان ذخيره ننمود[ 1 ]. در ذخيره سازي محسوس و گرماي نهاندر مواد را به دوصورت گرماي گرمايي ويژه ذخيره شده درجسم تابعي از دما ظرفيت افزايش دماي جسم جامد يا مايع ذخيره ميشود. ميزان انرژي محسوس چگالي بالاي ومقدارجسم ميباشد اما انرژي ذخيره شده از طريق گرماي نهان كه با ماده تغييرفازدهنده همراه است به دليل را دارند كه انرژي حاصل ازتغييرفاز را در برخوردار است. مواد تغييرفازدهنده اين قابليت اهميت بيشتري ذخيره انرژي گرمايي از كه جذب نهان ذوب ذخيره ميكنند و انرژي را تقريبا در همان دمايي به صورت گرماي خود ذخيره كنند. اين مواد انرژي را 38 * نويسنده مسي ول: behnam.11062@yahoo.com
تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي... ميكنند آزاد ميكنند. در انتخاب مواد تغييرفازدهنده بايستي دماي ذوب خصوصيات ترموديناميكي شيميايي آن وهمچنين اقتصادي بودن را درنظرگرفت. همچنين مواد تغييرفازدهنده به دو دسته آلي وغيرآلي تقسيم بندي شده است [ 2 ].بنابراين بايستي با انتخاب ماده تغييرفازدهنده سيستم را به نحوي طراحي نمود كه كاستيهاي ماده تغييرفازدهنده را جبران كند. مواد تغييرفاز دهنده داراي بيشترين گرماي نهان هستند ولي مشكلي كه باعث ميشود اين مواد داراي نرخ شارژ وتخليه پاييني باشند پايين بودن ضريب هدايت حرارتي اين مواد است كه محققان با به كارگيري فلزات با ضريب هدايت حرارتي بالا سعي در رفع اين مشكل دارند. درواقع ظرفيت گرمايي ويژه و رسانايي حرارتي مواد تغييرفازدهنده كم است و ميتوان با افزودن نانو ذرات به اين مواد اين كاستيها را جبران كرد وخواص حرارتي مواد تغييرفازدهنده را بهبود بخشيد كه در اين مقاله به بررسي اين موضوع پرداخته شده است البته درصد حجمي نانوذرات معمولا از 0 تا 5 درصد بحث ميشود واز 5 درصد بيشتر غلظت نانوسيال بسيارزياد شده واز حالت مايع خارج ميشود وهمچنين افزايش درصد حجمي نانوذرات درنانوسيال آب واكسيدآلومينيوم وآب واكسيدمس باعث افزايش ضريب هدايت حرارتي نانوسيال ميشود. نانوسيالات معروف مخلوطي ازسيال با آلومين يا اكسيدمس هستند كه در اين پژوهش ازاين نانوذرات استفاده شده است. با توجه به اهميت سيستم ذخيره سازي انرژي در اين زمينه مطالعات زيادي انجام شده است كه در اينجا به چندمورد اشاره شده است. آگينيم [ 3 ]بطورتجربي عملكرد اين دو مبدل را باهم مقايسه كرد ونشان داد كه نرخ ذوب مواد تغييرفازدهنده وانرژي ذخيره شده در مبدل چند لوله اي بيشتر است. اما استفاده ازمبدلهاي چند لوله اي هزينه و افت بيشتري نسبت به مبدل دولوله اي دارد ودر كاربردهايي كه سيال عامل لزجت كمتري دارند مثل هوا بهتر است كه ازمبدل چند لوله اي استفاده شود. لانگ وژو[ 4 ] به بررسي تجربي مبدل حرارتي سه لوله اي هم مركز پرداختند كه ماده تغييرفازدهنده در لوله مياني آن قرارداشت وسيال گرم در لوله بيروني وسيال سرد در لوله داخلي جريان داشت آنها انرژي حرارتي اتلافي توسط هوا كه توسط گيرنده خورشيدي تامين ميشود را بازيابي كردند. مصطفا وهمكاران[ 5 ]كه مدل دو بعدي مبدل حرارتي پوسته ولوله اي با پره شعاعي كه حاوي ماده تغييرفازدهنده بود را بررسي نمودند ونتايج نشان داد كه فرآيند انجماد در يك پوسته استوانه اي در مقايسه با پوسته مستطيلي سريع تر است. اگرچه سيستم ذخيره سازي انرژي توسط بسياري از پژوهشگران مورد بررسي قرارگرفته است ولي استفاده از روشي كه باعث بهبود خواص ماده تغييرفازدهنده شود مورد بحث درپژوهش حاضربوده است. 2. بيان مساله : در اين پژوهش از دو لوله كه در لوله داخلي سيال و در لوله بيروني مواد تغيير فاز دهنده شكل (1) استفاده شده است. طول لوله 300 ميلي متر وعرض لوله 48 ميلي متر وعرض ورودي كه سيال وارد مي شود 21 ميلي متر وعرض ورودي مواد تغييرفازدهنده 11 ميلي متر است [6]. بررسي در اين پژوهش با استفاده ازنرم افزارفلوي نت وبا تغييردر دماهاي ورودي ودبي سيال ورودي وهمچنين با افزودن نانوذرات به ماده تغييرفازدهنده وبهبود خواص حرارتي ماده تغييرفازدهنده به بررسي راههاي كاهش زمان ذوب ماده تغييرفازدهنده پرداخته شده است شماتيك هندسه مورد بررسي در شكل (1) نشان داده شده است. 39
مجله فني و مهندسي فناوريهاي نوين در سيستمهاي انرژي سال اول شماره دوم تابستان 1394 3. خصوصيات فيزيكي ذرات نانو آب و مواد تغيير فاز دهنده : در اين پژوهش از مواد مختلفي اعم از آب ذرات نانو و مواد تغيير فاز دهنده استفاده شده است. در بخش ذرات نانو از ذرات نانو آلومينيم اكسيد و همچنين ذرات نانو مس استفاده شده است. در بخش مواد تغيير فاز دهنده نيز از پارافين و n اكتادكان استفاده شده است كه خواص آن درجدول (1) آمده است..4 اعتبارسنجي : براي بررسي صحت مدلسازي نياز به مقايسه نتايج حاصل ازنرم افزار با داده هاي تجربي يا عددي تحقيقات گذشته براي يك [6] مدل خاص داريم از اين رو تحقيق حاضربراي اعتبارسنجي با مدل تجربي جيس متي وآدكمار وهمكارانش مقايسه كرده وهمانطور كه نشان داده شده است نتايج مطابقت خوبي باهم دارند. 5. معادلات حاكم: با فرض سيال نيوتني غيرقابل تراكم وجريان آرام در حين فرآيند معادلات كلي حاكم برچنين فرآيندهايي را ميتوان به شكل زيربيان نمود. جدول (1): خصوصيات فيزيكي اكتادكان n آلومينيم اكسيد مس آب پارافين خصوصيات فيزيكي 776/5 780 992/3 8933 3600 0/358 0/148 0/21 0/12 0/6 401 36 2/152/18 2/12/9 4/179 0/385 0/765 0.0039 0/205 0/000653 243/5 210 302 331 شكل (1): شماتيك هندسه مورد 40
تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي... شكل (2): نمودار اعتبارسنجي شبيه سازي با كار آزمايشگاهي (دما همان دمايي يك نقطه از داخل مواد تغيير فاز دهنده مي باشد) 5.1. محاسبه خصوصيات فيزيكي نانو سيال: 2 چگالي نانوسيال معمولا از طريق رابطه پاك و چو به دست ميآيد: [8] = 1 (5) كه در آن درصد حجمي نانوذرات چگالي نانوذرات و چگالي سيال پايه است. براي محاسبه گرماي ويژه ي نانوسيالات دو رابطه مختلف وجود دارد كه عبارتند از [8]: الف رابطه پاك و چو: 1 (6) ب 3 رابطه زوان و روتزل به صورت مقابل: 1 (7) 4 در روابط بالا زيرنويسهايnf p و f به ترتيب مربوط به نانوسيال نانوذره و سيال پايه هستند. درو و پاسمن معادله معروف انيشتين را براي محاسبه ويسكوزيته نانوسيالات پيشنهاد كردند كه براي نانوذرات كروي و غلظتهاي حجمي كمتر از %5 قابل كاربرد است [8]. 12.5 μ (8) براي تركيب سيال و ذره رابطه ي زير داده ميشود [7]. 5 تحقيقات بيشماري از روي مدل كلاسيك ماكسول الهام گرفته شده است. هدايت حرارتي مو ثر توسط 2 Pak and Cho 3 Xuan and Roetzel 4 Drew and Passman 5 Maxwell 41
مجله فني و مهندسي فناوريهاي نوين در سيستمهاي انرژي سال اول شماره دوم تابستان 1394, 2 2 2 (9) 6. روش حل عددي: در اين مقاله همانطور كه ذكرشده ازروش حل عددي با استفاده از نرم افزار فلوي نت براي بهينه سازي سيستم ذخيره سازي انرژي با استفاده ازمواد تغييرفازدهنده با كوپل كردن معادلات مومنتوم وانرژي ونوشتن كدهاي UDF درفلوي نت وبا وارد كردن اطلاعات ورودي به نرم افزار معادلات حاكم حل خواهدشد در اين قسمت نمونه اي كانتوردما نشان داده شده است[ 10 ]. 7. بررسي نتايج: ابتدا نتايج حاصل از شبيه سازي ماده تغيير فاز دهنده پارافين همراه با نانو سيال آلومينيوم اكسيد را مورد بررسي قرار خواهد گرفت. لازم به ذكر است در اين بررسي دبي آب ورودي را يك ليتر بر دقيقه و دماي ورودي را 70 68 و 72 درجه سانتي گراد در نظر گرفته شده است[ 12 ]. همانطور كه در شكل (4) مشاهده ميشود با افزايش زمان شيب نمودار كاهش مييابد كه نشان دهنده آن است كه هر چقدر زمان بگذرد ميزان مايع شدن كاهش مييابد. از طرفي با افزايش در صد نانو سيال ابتدا مقدار مايع شدن در زمان يكسان افزايش و سپس كاهش مييابد. همانطور كه مشاهده ميشود تا يك درصد افزايش يافته و پس از آن كاهش مييابد. در شكل (5) مشاهده ميشود كه با گذشت زمان ابتدا دما با سرعت افزايش مي يابد تا زماني كه به دماي ذوب برسد و پس از آن دما با شيب ملايمي افزايش مييابد. شكل (3): كانتور دما سيال ورودي براي زمانهاي مختلف 42
تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي... شكل (4): نمودار ميانگين نسبت مايع به جامد نسبت به زمان براي درصد هاي مختلف نانو ذره (دماي ورودي آب 68 درجه سانتي گراد مي باشد) شكل (5): نمودار دما داخل مواد تغيير فاز دهنده نسبت به زمان براي درصد هاي مختلف نانو سيال (دماي ورودي آب 68 درجه سانتي گراد مي باشد) شكل (6): نمودار ميانگين نسبت مايع به جامد نسبت به زمان هاي مختلف براي دما هاي مختلف ورودي آب (پارافين به همراه يك درصد نانو ذره) شكل (7): نمودار ميانگين نسبت مايع به جامد نسبت به زمان براي درصد هاي مختلف نانو ذره مس(دماي ورودي آب 68 درجه سانتي گراد مي باشد) همچنين مي توان ديد كه با افزايش درصد نانو ذرات ابتدا دماي داخل ماده تغيير فاز دهنده افزايش و سپس كاهش مييابد علت اين امر ضريب پخش حرارتي كه از حاصل تقسيم ضريب هدايت حرارتي بر چگالي و ظرفيت گرمايي بدست ميآيد هرچقدر درصد نانوذره افزايش مييابد چگالي بيشترشده باعث ميشود ضريب پخش حرارتي كاهش يافته و ضريب هدايت حرارتي كمتر شده ونرخ انتقال حرارت از %2 درصد به بعد كاهش يافته وزمان ذوب شوندگي افزايش ميبابد.حتي دماي داخل ماده تغيير فاز دهنده با پنج درصد نانو ذره كمتر از دماي ماده تغيير فاز دهنده خالص بدست آمده است. در شكل (6) نيز مشاهده ميشود كه تا رسيدن به دماي ذوب ماده تغيير فاز دهنده شيب افزايش دما بسيار تند بوده و پس از آن دما با شيب بسيار كمي دما افزايش مي يابد. همچنين مي توان مشاهده كرد كه با افزايش درصد نانو ذرات به داخل ماده تغيير فاز دهنده تا يك درصد افزايش يافته و پس از آن كاهش مييابدو بعلت افزايش چگالي ماده تغييرفازدهنده كمكم ازحالت مايع خارج شده و از طرفي با افزايش درصد حجمي نانوذرات تا 2 درصد چون ضريب پخش حرارتي كاهش ميابد باعث كاهش ضريب هدايت 43
مجله فني و مهندسي فناوريهاي نوين در سيستمهاي انرژي سال اول شماره دوم تابستان 1394 حرارتي مخلوط ماده تغييرفازدهنده و نانوذره شده و كاهش نرخ انتقال حرارت و افزايش زمان ذوب ميشود مييابد حتي دماي داخل ماده تغيير فاز دهنده با پنج درصد نانو ذره كمتر از دماي ماده تغيير فاز دهنده خالص بوده است. حال به بررسي تاثير نانو ذره مس پرداخته مي شود. مس به دليل داشتن ضريب هدايت حرارتي بزرگتر نسبت به آلومينيوم اكسيد نتايج بهتري را نشان مي دهد. نتيجه گيري: با افزايش دبي انتقال حرارت بهبود يافته و نرخ مايع شدن افزايش مي يابد وزمان ذوب كاهش مييابد. با افزايش دماي ورودي ميزان مايع شدگي افزايش مي يابد درنتيجه زمان ذوب كاهش مي يابد. ماده تغييرفازدهنده پارافين به همراه نانوذره مس انتقال حرارت بهتري نسبت به پارافين ونانوذره آلومينيوم دارد چون ضريب هدايت حرارتي نانوذره مس بيشتر از نانوذره آلومينيوم اكسيد است. ماده تغييرفازدهنده nاكتادكان چون ضريب هدايت حرارتي بيشتري نسبت ماده تغييرفازدهنده پارافين داردپس دريك زمان يكسان ميزان مايع شدگي بيشتري دارد وزمان ذوب كاهش مي يابد. با افزايش درصد كوچكي ازنانوذرات ضريب هدايت حرارتي درماده تغييرفازدهنده بهبود يافته ودر واقع تا درصد حجمي %1 نانوذره ميزان مايع شدگي افزايش يافته وزمان ذوب كاهش يافته و با افزايش درصد حجمي 1% به بعد ميزان مايع شدگي كاهش يافته وزمان ذوب افزايش يافته.علت اين امر ضريب پخش حرارتي (α) كه از حاصل تقسيم ضريب هدايت حرارتي بر چگالي و ظرفيت گرمايي بدست مي آيد هرچقدر درصد نانوذره افزايش مي يابد چگالي بيشترشده باعث ميشود ضريب پخش حرارتي كاهش يافته و ضريب هدايت حرارتي كمتر شده ونرخ انتقال حرارت از %2 درصد به بعد كاهش يافته وزمان ذوب شوندگي افزايش مييابد ضمنا درصد حجمي نانوذرات معمولا از 0 تا 5 درصد بحث ميشود واز 5 درصد بيشتر غلظت نانوسيال بسيار زياد شده وازحالت مايع خارج ميشود. با افزايش نانوذرات باضريب هدايت حرارتي بيشتر باعث بهبود نرخ انتقال حرارت وكاهش زمان ذوب ماده تغييرفازدهنده شده است..8 شكل (8): مقايسه بين دو حالت نانو ذره آلومينيوم اكسيد و نانو مس در يك درصد نانو سيال (دما ورودي آب 72 درجه سانتي گراد) شكل (9): ميانگين نسبت مايع به جامد داخل ماده تغيير فاز دهنده در زمان هاي مختلف براي دو ماده تغيير فاز دهنده پارافين و n اكتادكان 44
تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي... شكل (10): ميانگين نسبت مايع به جامد داخل ماده تغيير فاز دهنده در زمان هاي مختلف براي دبي هاي جرمي مختلف 9. مراجع: [1] Zalba, B., Marin, J. M., Cabeza, L. F., Mehling, H., Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, Vol. 23(3), pp. 251283, (2003). [2] Sharma, A., Tyagi, V. V., Chen, C. R., Buddhi, D., Review on thermal energy storage with phase change materials and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13(2), pp. 318345, (2009). [3] Agyenim, F., Hewitt, N., The development of a finned phase change material (PCM) storage system to take advantage of offpeak electricity tariff for improvement in cost of heat pump operation, Energy and Buildings, Vol. 42(9), pp. 15521560, (2010). [4] Long, J. Y., Zhu, D. S., Numerical and experimental study on heat pump water heater with PCM for thermal storage, Energy and Buildings, Vol. 40(4), pp. 666672, (2008). [5] Mosaffa, A. H., Talati, F., Basirat Tabrizi, H., Rosen, M. A., Analytical modeling of PCM solidification in a shell and tube finned thermal storage for air conditioning systems, Energy and buildings, Vol. 49, pp. 356361, (2012). [6] Jesumathy, S.P., dayakumar, M.U., Suresh, S., Jegadheeswaran, S., An experimental study on heat transfer characteristic of paraffin wax in horizontal double pipe heat latent heat storage unit, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, Vol. 45, pp. 12981306, (2014). [7] Arasu, A. V., Mujumdar, A. S., Numerical study on melting of paraffin Wax with AL O in a squre encbsure, International Communications in Heat and Mass Transfer,Vol. l39, pp.816, (2011). [8] Vajjha, R. S., Das, D. K., Namburu, P. K., Numerical study of fluid dynamic and heat transfer performance of Al 2 O 3 and CuO nano fluids in the flat tubes of a radiator, International Journal of Heat and fluid flow, Vol. 31(4), pp. 613621, (2010). [9] Meshgin, P., Xi, Y., Li, Y., Utilization of phase change materials and rubber particles to improve thermal and mechanical properties of mortar, Construction and Building Materials, Vol. 28(1), pp. 713721, (2012). [10] Ho, C. J., Gao, J. Y., Preparation and thermo physical properties of nanoparticleinparaffin emulsion as phase change material, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 36(5),pp. 467470, (2009). [11] Khodadadi, J. M., Hosseinizadeh, S. F., Nanoparticleenhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 34(5), pp. 534543, (2007). 45
مجله فني و مهندسي فناوريهاي نوين در سيستمهاي انرژي سال اول شماره دوم تابستان 1394 [12] Sasmito, A. P., Kurnia, J. C., Mujumdar, A. S., Numerical evaluation of laminar heat transfer enhancement in nanofluid flow in coiled square tubes, Nano Scale Research Letters, Vol. 6(1), pp. 114, (2011). 46
تحليل عددي سيستم ذخيره انرژي حرارتي... Numerical of thermal energy storage system using phase change material B. Biganehtalab, H. Salarian ARTICLE INFO Article History: Received: Aug. 2015 Accepted: Sep. 2015 Keywords: Phase change Material Nano particles Time melt Thermal energy Storage ABSTRACT Numerical method of thermal energy storage for decreasing the melting time of phase changing material by using of two tubes heat exchanger with fluent software has been investigated in this article. Due to the addition of aluminum oxide nano particles and copper nano particles to phase changing material with different volume percent, the melting time of phase changing material has been studied. In this study, two different phase changing materials are used: paraffin and n octane, and Also for modeling thermal energy storage system, these results are compared with experimental results of Jace Matthew and his colleagues model that Shows the numerical results are in good agreement with the experimental results, and then the effects of parameters such as input, the input fluid temperature on decrease of melting time of phase change material has been investigated. The results show that paraffin phase changing material with copper nano particles have a better heat conductivity than paraffin and aluminum nano particles and by increasing the flow, heat transfer rate and paraffin liquefying rate are reduced. Also, increasing a low percentage volume of nano particles in the mixture causes a significant increase in heat transfer and using nano particles with thermal conductivity increases the efficiency of this method. 47