بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بهینه سازي مصرف انرژي در ساختمانها سخن اصلی محافل علمی میباشد. در مطالعه حاضر به تأثیر نسبت ظرفیت گرمایی و همچنین تعداد واحدهاي انتقال حرارت1 بر کارآیی مبدل انرژي غشایی چرخشی 2 به عنوان تجهیزاتی جهت کاهش مصرف انرژي پرداخته گردیده است. با فرض آرام بودن جریان در کد نوشته شده از مقایسه نتایج عددي حاضر با دادههاي آزمایشگاهی فهمیده میشود که کارآیی محسوس آزمایشگاهی به اندازه نتایج عددي به تغییر NTU حساس نیست. با توجه به نتایج بهدست آمده با افزایش NTU کارآیی کل، محسوس و نهان مبدل انرژي غشایی افزایش مییابد. همچنین با افزایش نسبت ظرفیت گرمایی کارآیی به ماکزیمم مقدار خود در حال صعود میباشد.
مقدمه
حفظ کیفیت هواي داخل ساختمان 3IAQ که به طور مستقیم بر سلامتی افراد مستقر در آن تأثیر دارد هدف طرح اولیه مهندسان تهویه مطبوع میباشد.[1] آسایش حرارتی انسان به دماي هوا، نسبت رطوبت، دماي تشعشع مؤثر، نوع لباس و متابولیک بدن بستگی دارد.[2] تهویه هوا یا هواي تهویه شده یعنی این که هواي تازه فیلتر شده را جایگزین هواي آلوده داخل ساختمان کردن که این در ساختمانها تجاري بسیار حائز اهمیت است.براساس استاندارد حدوداً %20 تا %40 کل انرژي سیستمهاي تهویه مطبوع صرف تهویه میشود.در طی "بحران انرژي"4 سال 1970، نگرانی اصلی مهندسان تهویه مطبوع، کاهش جریان تهویه مطبوع خارج به حداقل جهت کاهش مصرف انرژي و هزینه عملیاتی براي ساختمانها بود. در نتیجه استاندارد 5ASHRAE68 نسبت تهویه حداقل استاندارد قبلی را فقط به 2/5 لیتر بر ثانیه براي هر نفر در ساختمانهاي اداري کاهش داد. بازیاب انرژي هواکش 6ERV که انتقال انرژي بین جریان هواي ورودي و خروجی است راهی براي کاهش مصرف انرژي در تهویه مطبوع ساختمان است. به طور کلی، ERV می تواند به دو گروه سیستم بازیاب گرما که فقط انرژي محسوس را منتقل میکند و سیستمهاي بازیاب حرارت و رطوبت که هم انرژي محسوس7 و هم انرژي نهان 8 را منتقل میکنند دسته بندي گردد. مطالعات نشان داد که ERV به طور قابل توجهی مصرف انرژي و حرارت سالانه را کاهش میدهد.
لیو9 و همکارانش مطالعه در مورد کاربرد و ذخیره انرژي با مبدل آنتالپی را در 5 شهر چین انجام دادند. مطالعات آنها فقط به فصل گرم محدود بود و نتایج نشان داد که انرژي حرارتی تا %20 کاهش پیدا میکند وقتی که %75 اثر کلی ERV مورد استفاده قرار می-گیرد.
رسولی10 و همکارانش کاربرد ERV را در اقلیمهاي مختلف شمال آمریکا مورد مطالعه قرار دادند و یک راهکار کنترل که وابسته به نسبت اثر بخشی پنهان و محسوس ERV است ارائه دادند.[5]
ژو11 و همکارانش شبیه سازي یک سیستم ERV را در دو موقعیت با آب و هواي مختلف در چین را با یک ساختمان پویا انجام دادند. آنها گزارش دادند که یک ERV مصرف انرژي را در طول زمستان کاهش میدهدERV .[6] هایی که در دسترس هستند نیاز دارند تا کانال ورودي و خروجی آنها در مجاورت هم باشند که این باعث تحمیل هزینههاي بالایی میشود. مبدل انرژي غشایی چرخشی 12RAMEE قادر است که انتقال حرارت و رطوبت بین سیال ورودي و خروجی را از راه دور - جدا بودن کانال ورودي و خروجی از هم - انجام دهد که این امر بسیاري از مشکلات را به حداقل میرساند. مبدل انرژي غشایی چرخشی شامل دو مبدل 13LAMEE - مبدل انرژي غشایی مایع-هوا - جداگانه که یکی براي کانال ورودي و دیگري براي کانال خروجی در ساختمان استفاده میشود و محلول نمکی که در یک حلقه بسته بین این دو مبدل LAMEE در جریان است. هر یک از این دو مبدل داراي یک غشاء نیمه تراوا14 هستند که علاوه بر انتقال حرارت، انتقال رطوبت را نیز انجام میدهند که در این صورت هم بازیافت انرژي محسوس و هم بازیافت انرژي نهان را در واقع انجام میدهند.
فان15 یک مدل عددي را براي یک سیستم RAMEE متشکل از دو مبدل جریان متقاطع توسعه داد. توسعه این مدل عددي با وجود مشخصات طراحی مناسب، کارآیی کل %70 را براي سیستم RAMEE به دست آورد.
ارب 16 پیش الگوي تستی RAMEE را براساس یافتههاي قبلی ساخت. پیش الگو تحت شرایطی مشابه با شرایط تست زمستان و تابستان 17AHRI در آزمایشگاه تست شد و نتایج با نتایج پیشبینی شده از مدل عددي سید احمدي18 مقایسه گردیدتوافق. کاملاً خوبی بین مدل عددي و آزمایشگاهی گزارش گردید.
برگرو19 و همکارانش، عملکرد حالت پایدار جریان متقاطع غشاء صفحه تخت با استفاده از مدل ریاضی دو بعدي را بررسی کردند. انتقال جرم توأم با حرارت مبدل به صورت عددي براي جریانهاي محلول نمک و هوا حل شد. نتایج مدل با دادههاي منتخب تست شده در شرایط آزمایشگاهی براي این غشاء مقایسه گردید. آنها با نرمافزار Simulink عملکرد این سیستم ترکیبی را با استفاده از مدل ریاضی شبیه سازي نمودند.
هیوانگ20 و همکارانش مدل عددي انتقال حرارت و جرم در مبدل انرژي غشایی مایع- هوا با غشاء تخت و جریان متقاطع جهت رطوبتزدایی هوا را بررسی کردند. آنها سمت هوا و محلول را در مبدل، یک کانال صاف ایدهآل فرض کردند، در صورتی که هوا و محلول به صورت هیدرولیکی کاملاً توسعه یافته فرض گردیده شده بود اما حرارت در حال توسعه بود.
سید احمدي و همکاران، یک مدل عددي براي شبیه سازي عملکرد ناپایدار یک سیستم RAMEE مشابه با استفاده از روش تفاضل محدود براي حل معادلات انتقال حرارت و جرم براي سمت هوا و محلول براي دو LAMEE جریان متقاطع با مستلزم بودن انفصال آنها معرفی کردند. مدل عددي مشابه توسط ارب و همکارانش استفاده شد و نتایج عددي با دادههاي آزمایشگاهی براي یک سیستم RAMEE با دو LAMEE جریان متقاطع مقایسه گردید.ولی21 و همکارانش، بررسی توسعه مدل عددي دو بعدي عملکرد حالت پایدار یک سیستم RAMEE که شامل دو LAMEE با جریان متقاطع - معکوس براي هوا و محلول نمک بود را انجام دادند. نتایج
همینگسون22 و همکارانش با استفاده از همان مدل عددي ولی عملکرد یک سیستم RAMEE حالت پایدار، تحت طیف گستردهاي از شرایط هواي بیرون را محاسبه نمودند.
جی 23 و همکارانش از مدل تحلیلی ژانگ استفاده کردند تا عملکرد یک LAMEE جریان معکوس را ارزیابی کنند.
اکبري24 و همکارانش یک مدل عددي براي پیشبینی عملکرد حالت پایدار و گذرا یک سیستم RAMEE براي یک طیف گستردهاي از پارامترهاي عملیاتی و طراحی توسعه دادند.
اخیراً قدیري مقدم25 و همکارانش با استفاده از تست یک مبدل تک پانل امکان ارزیابی عملکرد یک LAMEE تک پانل جدید در مقیاس کوچک را براي شرایط عملیاتی مختلف برآورده کردند . آنها انتقال حرارت و رطوبت را به صورت کوپل در هوا، مایع و غشاء براي یک LAMEE تک پانل مقیاس کوچک به صورت عددي مدل کردند و کارآیی حالت پایدار LAMEE را تحت شرایط عملیاتی مختلف محاسبه نمودند. همچنین اثرات مقاومت غشاء در برابر نفوذ بخارآب و افزایش ضریب انتقال حرارت هدایتی هوا در مدل عددي براي کارآیی حالت پایدار LAMEE تحت شرایط هواي سرد و رطوبتزدا بررسی شد و در نتیجه مدل عددي اصلاح شده براي LAMEE تک پانل مقیاس کوچک ارائه گردید.
شرایط مرزي
شرایط مرزي لازم براي تحلیل معادلات حاکم که براي حل میدان جریان، سرعت در ورودي و خروجی هر LAMEE یکنواخت فرض میشود و مؤلفه سرعت در جهت y میتواند از نرخ جریان جرمی مایع
محاسبه گردد.
که Ψ تابع جریان، xi طول سرانداز ورودي - 0.1mm - ، vSol سرعت محلول نمک در جهت y، mL نرخ جریان جرم مایع 0.03 - کیلوگرم بر ثانیه - ، L چگالی مایع، dL ضخامت کانال مایع 2.7 - میلیمتر - ، x0 طول مبدل 1000 - میلیمتر - ، y0 ارتفاع مبدل 500 - میلیمتر - .چون هیچ جریانی در دیوارههاي جانبی مبدل وجود ندارد، هر دیواره جانبی یک خط جریان میباشد. بنایراین براساس شرایط مرزي بدنه، تابع جریان در دیوارههاي LAMEE ثابت میباشد.براي حل معادلات انتقال حرارت و رطوبت کوپل شده، شرایط مرزي به کار رفته نسبت رطوبت و دماي ثابت هوا در ورودي مبدل در سمت کانال هوا میباشد. ورودي کانال هوا در x x0 واقع می-باشد.
TAir,in دماي هواي ورودي 297.15 - کلوین - ، WAir,in نسبت رطوبت هواي ورودي 17.5 - گرم بر گیلوگرم - . براي کانالهاي مایع، حجم و دماي محلول نمکی در ورودي ثابت میباشند. لذا در ورودي وجه مایع y=0 - ، - x≤ x0 داریم:
TSol,in دماي ورودي محلول، XSol,in غلظت ورودي محلول. - KgW KgSal - دیوارههاي مبدل، عایق و نفوذناپذیر فرض می-شوند، یعنی شرایط مرزي در دیوارهها، عدم وجود شار حرارتی و شار جرمی باشد.
معادلات حاکم و روش حل عددي
الگوي شماتیک یک واحد از LAMEE جریان متقاطع - معکوس، داراي یک جفت کانال جریان میباشد. یک کانال هوا که مجاور یک کانال مایع میباشد و در شکل 1 نشان داده شده است. همجنین سیستم مختصات به کار رفته براي مدل ریاضی و مسیرهاي جریان مایع و هوا در شکل به نمایش در آمده است. غشاء شبه نفوذپذیر جداکننده، پروپر است که توسط لارسون ارائه گردیده است.
شکل :1 شماتیکی از یک LAMEE
مدل عددي، خطوط جریان سیال را تحلیل کرده و توزیع جریان متوسط در هر LAMEE را تعیین میکند . پس، سرعت متوسط سیال در هر جهت براي حل معادلات انتقال حرارت و جرم باهم در هرLAMEE استفاده میشود . با جفت شدن دو LAMEE در یک حلقه بسته، سیستم RAMEE به وجود میآید . فرضیات زیر براي بسط مدل عددي در سیستم RAMEE ارائه و به کار برده میشود.
- 1 جریان هوا و مایع، خطی، آرام و کاملا توسعه فرض میشوند.
2انتقال - حرارت و انتقال جرم نیز یکنواخت و کاملاً توسعه یافته فرض گردیدهاند.
- 3 جریان هوا و جریان مایع مستقل از انتقال حرارت و انتقال رطوبت هستند.
- 4 غشاء نفوذپذیر که جریان هوا و مایع را در هر LAMEE از هم تفکیک میکند، فقط انتقال بخار آب را ممکن میسازد و آب مایع بین دو جریان منتقل نمیشود.
- 5 انتقال حرارت و انتقال رطوبت فقط در جهت Z در هر غشاء امکان پذیر است.
- 6 اتلاف یا افزایش حرارت به واسطه ي تغییر فاز آب، فقط در وجه مایع روي میدهد.
- 7 کانالهاي جریان مشابه هستند . تنها یک کانال هوا و یک کانال مایع براي هر مبدل در مدل عددي شبیه سازي میشود.
- 8 فرض بر این است که هوا و محلول نمک ترکیبی یکنواخت دارند و در وروديهاي مبدل، داراي خواص یکنواخت هستند.
9 - لولههاي اتصالی کاملاً عایق و نفوذناپذیر میباشند و انتقال حرارت و انتقال رطوبت فقط بین هوا و مایع در LAMEE اتفاق میافتد.
- 10 مقاومت انتقال رطوبت محلول نمکی - - 1 ناچیز فرضhm ,Sol گردیده است و نسبت رطوبت میتواند از روابط تعادلی تعیین شود. در هر LAMEE، مایع در عدد 26Re پایین از طریق کانالهاي مایع نازك جاري میشود و این سبب یک جریان دو بعدي سطح میگردد که معادلات ناویراستوکس میتوانند به معادلات لاپلاس درجه دو براي تابع جریان Ψ ساده شوند. بنابراین معادلات حاکم براي تعیین الگوي جریان مایع با استفاده از تابع جریان عبارت است
u سرعت سیال در جهت محور .x تحت شرایط عملیاتی در حالت پایدار، شار بخار آب از طریق سطح غشاء با کاهش یا افزایش جرم در هوا موازنه میشود.
Um ضریب انتقال حرارت کلی استبراي. جریان آرام کاملاً توسعه یافته، عدد ناسلت در زمانی ثابت است که شار حرارتی ثابتی وجود داشته باشد.
