دانلود مقاله ارتقاء آسایش حرارتی کلاه ایمنی با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده - مطالعه پارامتری

بخشی از مقاله

-1 مقدمه

کلاه ایمنی موتورسیکلت تا حد زیادي جراحات و میزان مرگ و میر ناشی از حوادث ترافیکی را کاهش می دهد. به همین دلیل، در بسیاري از کشورها قوانین خاصی براي استفاده اجباري از کلاههاي ایمنی وضع گردیده و اجرا می شود. در حال حاضر، کلاههاي ایمنی از مواد پلاستیکی، مسلح شده با فیبرهاي کربن ساخته می شوند.

عموماً، کلاه ایمنی از دو عضو حفاظتی اصلی تشکیل شده است: یک پوسته ي مقاوم از جنس پلاستیک ABS (و یا فایبرگلاس) و یک لایه ضخیم تر و نرم کهمعمولاً از نوعی فوم تهیه می شود. لایه مقاوم خارجی محافظ بسیار

١

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

خوبی در مقابل ورود اجسام تیز و برنده و قالب مناسبی براي لایه فوم داخلی است. لایه ضخیم داخلی براي جذب ضربات ناسی از سوانح ترافیکی طراحی شده است. لایه ضخیم داخلی کلاه ایمنی، در عین حال، یک عایق حرارتی است که مانع انتقال گرماي تولیدي در ناحیه سر به محیط اطراف می گردد. این امر موجب می شود تا شرایط نامطلوب دمایی براي موتورسیکلت سوار به وجود آید که می تواند وضعیت خطرناکی را ایجاد نماید. تحت

این شرایط، درجه ي حرارت داخلی کلاه ایمنی به سرعت تا حد 37- 38 ο c افزایش یافته، شرایط فیزیولوژیکی و روانی موتورسیکلت سوار متزلزل ورانندگی موتورسیکلت در وضعیت خطرناك قرار می گیرد. بنابراین، خنک کردن سر، امري غیر قابل اجتناب است که می تواند شرایط مطلوب رانندکی را فراهم کند. در سالهاي اخیر راه حل هاي عملی متنوعی براي خنک کردن سر ابداع و به مورد اجرا گذاشته شده است. شاید متداولترین آنها استفاده از سیستم فن هوا و خنک کردن هوا با استفاده از آب باشد کهمعمولاً براي رانندگان اتومبیل هاي مسابقه اي طراحی و استفاده می شود. هر چند که این طراحی را می توان براي موتورسیکلت سوارها هم استفاده کرد اما شرایط متفاوت موتورسیکلت و همچنین وضعیت آب و هوایی گرم و مرطوب در بسیاري از مناطق کشور، میزان کارایی این سیستم ها را زیر سؤال می برد. بنابراین باید در جستحوي روشهاي دیگر متناسب با شرایط کشور بود. یکی از روشهایی که اخیراً ابداع گردیده است استفاده از" کولرهاي ترموالکتریک" براي جذب گرماي تولیدي در داخل کلاه و انتقال آن به محیط اطراف از طریق پره هاي حرارتی است. مهمترین عیب این روش آنست که یک اتصال الکتریکی بین کلاه(کولر) و برق DC (باتري موتورسیکلت و یا یک باتري مجزا) لازم است. درصورتیکه از باتري جداگانه براي تاًمین انرژي الکتریکی کولر استفاده شود کلاه سنگین می شود و اتصال به باتري موتورسیکلت نیز خطراتی بالقوه

براي موتورسیکلت سوار ایجاد می کند. روشی که در این طرح پیشنهاد می گردد استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در کلاه ایمنی براي جذب گرماي تولیدي در سر است طرح کلی کلاه در شکل((1 نشان داده شده است.[1, 2, 3]

٢

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

شکل (1) طرح کلی از کلاه موتورسواري همراه باPCM

-2 خصوصیات مواد تغییر فاز

ماده تغییر فاز (PCM) 1جسمی است با گرماي ذوب بالا که با ذوب شدن و انجماد در دماي ﻣﺸﺨﺼﻲ قادر به ذخیرهسازي و آزادسازي مقادیر زیاد انرژي میباشد. گرما زمانی جذب یا آزاد میشود که تغییرات ماده از جامد به مایع و یا بر عکس رخ دﻫﺪ، بنابراین PCM ها به عنوان واحدهاي ذخیرهي گرماي نهان (LHS)2 دستهبندي می-
شوند.ذخیرهسازي گرماي نهان PCM ها میتواند از طریق تغییر فازي جامد-جامد، جامد-گاز، جامد-مایع و مایع-

گاز حاصل شود. اما تنها تغییر فازي که براي PCM ها استفاده می گردد تغییر جامد-مایع است. تغییرات فازي مایع-

گاز جهت استفاده براي ذخیرهسازي گرمایی با توجه به حجمهاي بزرگ یا فشارهاي بالا که نیاز به ذخیرهسازي مواد در حالت گازي دارد عملی نیست،گرچه PCM ها انواع مختلفی دارند اما به سه دسته کلی تقسیم بندي می شوند که در شکل (2) آمده است.[3, 4]

Phase Change Material Latent Heat Storage

١

٢

٣

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

شکل((2 دسته بندي PCM

-3 ملاك هاي انتخاب

از لحاظ ترمودینامیکی PCM می بایست دماي ذوبی در بازهي دمایی عملیاتی مورد نظر داشته باشد (شکل .(3

همچنین مطلوب است که PCM در واحد حجم داراي گرماي نهان ذوب ،گرماي مخصوص، چگالی و هدایت گرمایی بالایی باشد. تغییرات حجمی کم در هنگام تغییر فاز و فشار بخار کم در دماهاي عملیاتی و نیز ذوب متجانس از دیگر خواص ترمودینامیکی مهم براي مواد تغییر فاز می باشد. سرعت هستهسازي بالا جهت اجتناب از فوق سرمایش فاز مایع و نیز سرعت رشد کریستال بالا با توجه به نیاز سیستم به بازیافت گرمایی از سیستم ذخیره-

سازي از جمله خواص سینتیکی مهم PCM ها است. مواد تغییر فاز می بایست از لحاظ شیمیایی پایدار بوده و بازگشت پذیري کاملی در فرآیند ذوب داشته باشند. این مواد نباید پس از تعداد زیاد سیکل انجماد-ذوب تجزیه شوند. عدم خورندگی، غیر سمی بودن، غیراشتعالپذیري و غیرانفجاري بودن از دیگر خواص شیمیایی مطلوب
PCM هاست. البته نباید فراموش کرد که یکی از مهمترین معیار هاي انتخاب این مواد جنبه هاي اقتصادي آن ها است. بنابراین هزینهي کم و دسترسی مناسب در مقیاس بزرگ بسیار ضروریست .[6, 7 , 8] از آنجایی که دماي پوست سر فرد موتورسوار، باید در 30 درجه ﺳﺎﻧﺘﻴﮕﺮاد بماند، ازRT27 3، که یک نوع PCM پارافینی بوده و دماي ذوب آن 28 درجه ي سانتیگراد می باشد، استفاده شده است. نکته ي قابل توجهی که در این طراحی وجود دارد

Rubitherm ٣

٤

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

PCM باقی می ماند و هیچگاه کمتر از آن نخواهد شد. سرمایش اضافی پدیده اي است که در طراحی به روش کولرهاي ترموالکتریک

(TEC) وجود دارد، یعنی ممکن است پمپ گرمایی بیش از اندازه ي مورد نیاز کار کند، در این صورت فرد احساس سرما خواهد کرد. هدف از ارائه ي این طرح، کاربردي کردن استفاده از PCM در کلاه ایمنی موتورسیکلت به منظور ارتقاء کیفیت رانندگی است.به همین منظور، انتخاب مناسب ترین نوع PCM، اندازه و ابعاد، محل قرار گرفتن در کلاه، به گونه اي که شرایط مطلوب دمایی براي عموم موتورسوارها در مدت زمان 1 ساعت فراهم گردد هدف اصلی است.[9, 10]

شکل((3 حوزه هاي کاربرد PCM هاي مختلف

-4 طراحی کلاه ایمنی با سیستم خنک کننده ي PCM

مهمترین قسمت، طراحی محفظه ي PCM است، که PCM درون آن قرار می گیرد. جاذب گرما 4 یک ورقه مـسی است که در کنار محفظه ي PCM قرار می گیرد و مسیر مناسبی براي هدایت گرما به وجود می آورد. بـراي انجـام مدل سازي، کلاه ایمنی به لایه هاي مختلفی تقسیم شده است. در شکل21 ، لایه هاي مختلف کلاه ایمنی نشان داده شده است. همچنین در این مدل سازي فرضیات زیر لحاظ شده است:

Heat Collector ٤

٥

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

-1شرایط ناپایا.

-2 رسانش شعاعی یک بعدي.

3 -مقاومت تماسی ناچیز بین لایه ها.

-4خواص ترموفیزیکی ثابت.

-5ناچیز بودن تبادل تشعشع با اطراف.

همان طور که در شکل((4 نشان داده شده است، از یک طرف گرمـاي هـواي محـیط اطـراف از طریـق جابـه جـایی اجباري5 به کلاه و سپس از طریق هدایت گرمایی به PCM وارد می شود، و از طرف دیگـر نیـز از درون ﺑـﺪن ،کـه دماي آن 37 درجه ي سانتیگراد در نظر گرفته شده است، گرما به درون PCM هدایت می شود؛ در واقع این گرمـا، همان گرمایی است که به دلیـل متابولیـسم بـدن، در درون سـر تولیـد مـی شـود، تـا دمـاي درون آن را 37 درجـه ي سانتیگراد نگه دارد.

شکل (4) برش عرضی از لایه هاي مختلف کلاه

ابعاد لایه هاي در نظر گرفته شده و برخی خصوصیات آنها در جدول((1 آورده شده است.

Forced Convection ٥

٦

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

شــماره جنس شعاع((r ضخامت((t K

لایه (W
(cm) (mm)
/m.
k)
1 جمجمه 13 10 0,1
2 پوست 14 1 0,37

3 مو 14,1 10 0,06

4 مس 14,35 0,5 385

5 PCM 1,485 1 0,6

6 فوم 16,25 30 0,01
7 آلومینیوم 16,40 3 50

جدول((1 ابعاد و خواص لایه ها

در این تحقیق مدل مطرح شده توسط دو روش بصورت موازي، یکی به روش شبکه ي مقاومتی و دیگري بـه روش Finite difference method حل شده است. با اعمال فرضیات یاد شده و با توجه به لایه هـاي مختلـف کـلاه، مـی توان شبکه ي مقاومت هاي گرمایی را رسم کرد، که در شکل((5 نشان داده شده است.

شکل (5) شبکه مقاومت هاي گرمایی

فرض دیگري را نیز لحاظ می کنیم که موتورسوار از حالت سکون با یک شتاب ثابت شروع به حرکت می کند و پس از مدتی سرعت آن ثابت شده و تا پایان با آن سرعت ثابت حرکت می کند.

٧

ارتقا آسایش حرارتی کلاه ایمنی

-5 مدل سازي و حل به روش شبکه ي مقاومتی

با توجه به شبکه ي مقاومت ها، و ابعاد و خواص داده شده، مقدار مقاومت گرمایی هر لایه به صورت زیر محاسـبه می شود:[11]
(1) ri1 − ri  Ri
4 × ki ×π × ri1 × ri

(2) 1 Rshell 
2 h ×4×π ×r
shell