بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش مدل ریاضی بر مبناي روش ظرفیت گرمایی موثر، براي پیش بینی رفتار حرارتی و بازدهی مخزن ذخیره ي انرژي حرارتی با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده توسعه داده شد. تاثیر پامترهاي مختلف از جمله، دماي سیال عامل ورودي، دبی سیال عامل ورودي، نوع ماده ي تغییر فاز دهنده، استفاده از بیش از یک ماده ي تغییر فاز دهنده و ... بر روي زمان فرایند ذوب و همچنین بازدهی ذخیره ي انرژي حرارتی برسی گردید و نتایج به صورت نمودارهایی ارایه شد. نشان داده شده که در دبی هاي جرمی پایین براي سیال عامل استفاده از دو نوع ماده ي تغییر فاز دهنده به جاي یک ماده ي تغییر فاز دهنده می تواند منجر به افزایش بازدهی ذخیره ي انرژي حرارتی گردد. همچنین نشان داده شد که با افزایش دماي سیال عامل ورودي به دلیل این که اختلاف دماي بین سیال عامل ورودي و دماي ذوب ماده ي تغیییر فاز دهنده افزایش میابد، بنابراین بازده ي ذخیره ي انرژي حرارتی نیز افزایش میابد و همچنین زمان لازم براي فرایند ذوب نیز کاهش میابد. همچنین نشان داده شد که افزایش دبی جرمی سیال عامل و همچنین دماي ورودي سیال عامل بیش از یک حد معین دیگر تاثیر چندانی بر روي زمان فرایند ذوب نخواهد داشت.
کلمات کلیدي: تغییر فاز هم دما، مخزن ذخیره ي انرژي پوسته و لوله اي، ظرفیت گرمایی موثر
.1 مقدمه
انرژي را می توان مانند ستون فقرات براي زندگی بشر دانست. با توجه به رشد روز افزون جمعیت کره ي زمین و همچنین بعد از انقلاب صنعتی که در قرن 20 میلادي به وقوع پیوست، تقاضاي انرژي در جهان با رشد چشمگیري مواجه شد. در همین زمان بود که با توجه به محدود بودن منابع انرژي فسیلی ومضررات زیست محیطی آن دانشمندان پژوهش هاي خود را بر روي دو موضوع کلی متمرکز کردن. اول بهینه سازي مصرف سوخت و سپس یافتن منابع انرژي تجدید پذیري که بتواند جایگزین سوخت هاي فسیلی گردد. در دهه هاي اخیر پژوهش هاي زیادي در این دو زمینه صورت گرفته که منجر به پیشرفت هاي چشمگیري نیز شده است. می دانیم که استفاده بی رویه از سوخت هاي فسیلی نه تنها باعث از بین رفتن سریع ذخایر سوخت فسیلی می شود بلکه به دلیل تولید گازهاي گلخانه اي که این سوخت ها ایجاد می کنند منجر به آلودگی هاي زیست محیطی و همچنین تغییر آب و هواي جهانی1 نیز می شود. لازم به ذکر است که بیش ترین مصرف انرژي هاي فسیلی در جهان مربوط به سیستم هاي گرمایش و سرمایش خانه ها می باشد.
به طوري که طبق اظهارات موسسه ي 40 WBCSD2 درصد از مصرف انرژي جهانی مربوط به بخش خانگی و ساختمان ها می باشد. به عبارت دیگر می توان گفت که %40 از دي اکسید کربن تولید شده را می توان مربوط به ساختمان ها دانست. مطالعات جدید دانشمندان در حوزه ي بهره وري انرژي در ساختمان3 نشان می دهد که براي پیش گیري ازتغییر وضعیت آب و هواي جهانی لازم است که تا سال 2050 مصرف انرژي در ساختمان ها حداقل تا 60 درصد کاهش پیدا کند. البته لازم به ذکر است که استفاده از انرژي هاي پاك و تجدید پذیرجدیدي مانند انرژي خورشیدي که توانایی بالقوه اي براي جایگزین شدن با سوخت فسیلی را دارند نیز به عنوان یک راه کار مطرح است. خورشید را می توان به عنوان یک منبع انرژي قوي و تقریبا نامحدود مورد استفاده قرار داد. تحقیقات نشان میدهد انرژي که از سمت خورشید در یک ساعت بر زمین ساطع می شود بیش تر از مصرف انرژي یک نفر در طول یک سال می باشد. اما لازم به ذکر است که ما نمی توانیم کنترل زیادي روي این نوع انرژي داشته باشیم.
به عبارت ساده تر می توان گفت که انرژي که از خورشید به سطح زمین می رسد مقدار ثابتی ندارد و مقدار این انرژي به شدت بستگی به شرایط آب و هوایی، موقعیت جغرافیایی، فصل سال و حتی ساعات شبانه روز دارد. یکی از بزرگترین مشکلات این است که اوج تقاضاي انرژي در طول شبانه روز که اغلب مربوط به عصر تا نیمه شب است هیچ تطابقی با میزان شدت تابش خورشید در این زمان ندارد. به عبارت دیگر می توان گفت دقیقا زمانی که خورشید کم ترین شدت تابش را دارد نیاز به انرژي اوج می گیرد. بهترین راه حل براي استفاده از یک منبع انرژي بزرگ مانند خورشید که کنترل آن در دست ما نیست استفاده از سیستم هاي ذخیره سازي می باشد. به این منظور که بتوان انرژي خورشیدي را در ساعاتی از روز که شدت تابش خورشید زیاد است ذخیره نمود تا آن را در ساعاتی از شب که نیاز به انرژي می باشد مورد استفاده قرار داد. بدیهیاست که در این سیستم باید یک منبع انرژي کمکی براي مواقع اظطراري نیز در نظر گرفته شود. همین انگیزه منجر به طراحی سیستم هاي ذخیره سازي انرژي حرارتی - TES - 4 گردید.
اصول کارکردي اینسیستم ها بر روي گرماي نهان مواد استوار است. به طوري که با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده - PCM - 5 می توان سیستم هاي ذخیره سازي انرژي حرارتی با ظرفیت بالایی را تولید نمود. مهم ترین ویژگی استفاده از این مواد این است که می توان مقدار زیادي انرژي را بدون این که نیاز باشد دماي ماده را افزایش داد، ذخیره نمود. و تنها در این حالت فاز ماده از جامد به مایع تبدیل خواهد شد. یکی دیگر از نکات کلیدي در ذخیره سازي انرژي، اندازه سیستم ذخیره سازي و طول مدت ذخیره سازي انرژي می باشد. مدت زمان ذخیره سازي انرژي از این جهت مهم است که باید در هنگام طراحی سیستم ذخیره سازي انرژي دقت کرد که در مدتی که قرار است انرژي ذخیره شود میزان تلفات انرژي حرارتی در حد قابل قبولی باشد. همچنین اندازه ي سیستم ذخیره سازي نیز با توجه به محدود بودن فضا و همچنین نکات مربوط به زیبایی سازه مورد اهمیت می باشد. لازم به ذکر است که اندازه ي سیستم ذخیره سازي انرژي حرارتی به پارامترهایی مانند: نوع ماده مورد استفاده، دماي ذخیره سازي انرژي حرارتی، میزان تلفات حرارتی ذخیره سازي، متوسط هزینه ي ذخیره سازي انرژي، دماي محیط و غیره بستگی دارد.
ماده ي تغییر فاز دهنده - - PCM ماده اي است که نیاز به حرارت زیادي براي ذوب دارد. همین امر موجب می شود که این ماده قابلیت ذخیره سازي انرژي حرارت زیادي در هنگام ذوب شدن داشته باشد که در هنگام جامد شدن می تواند این انرژي حرارتی را پس دهد. هنگامی که گرما در این نوع مواد ذخیره می شود از فاز جامد به مایع تبدیل می شوند و هنگامی که گرما آزاد می شود از فاز مایع به جامد تبدیل می شودند. به عبارت دیگر جذب و یا آزاد سازي گرما در این نوع مواد همراه با تغییر فاز می باشد. مواد تغییر فاز دهنده از لحاط دسته بندي در زیر مجموع مواد ذخیره ساز انرژي حرارتی با استفاده از گرماي نهان قرار می گیرند. مواد تغییر فاز دهنده را به طور کلی می توان به دو دسته ي مواد ارگانیک و غیر ارگانیک تقسیم نمود. تفاوت این دو دسته از مواد تغییر فاز دهنده را می توان در جدول - 1 - مشاهده نمود. امروزه مواد تغییر فاز دهنده داراي کاربردهاي فراوانی می باشند که از جمله ي این کاربرد ها میتوان به موارد زیر اشاره نمود. ذخیره سازي انرژي حرارتی گرمایش آب سرمایش ساختمان
.2مروري برکارهاي گذشته
مواد تغییر فاز دهنده داراي قابلیت تغییر فاز - مثلا از جامد به مایع - در یک دامنه ي دمایی تقریبا ثابت هستند. ضمنا فرایند تغییر فاز در این گونه مواد معمولا همراه با تبادل حجم بالایی از انرژي است که بدان گرماي نهان تغییر فاز اطلاق می شود. تبادل این حجم بالاي گرما به صورت همساز با طبیعت و به طور خوردکار و هوشمندانه، مطابق با تغییرات دماي محیط صورت می پذیرد. با توجه به ویژگی هاي عنوان شده، این مواد به یکی از ظرفیت هاي خاص ذخیره انرژي در مصارف گوناگون تبدیل شده اند. این مواد در سطح بسیار وسیعی در صنایع گوناگون شامل مخابرات، حمل و نقل، خودروها، ماهواره ها، پزشکی، نساجی، گلخانه ها و دیگر موارد به کار می روند. اولین گزارش ها مبنی بر کاربرد این مواد در ساختمان مربوط به سال 1940 بود. سپس استفاده از این مواد در ساختمان ها از سال 1980 با جدیت بیشتري پیگیري شد.
این مواد امروزه در صنعت ساختمان از جایگاه ویژه اي برخوردار هستند. این مواد را می توان در ساختمان ها و در اجزایی مجزا براي کاربردهاي گرمایش و سرمایش به کار برد. مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان ها معمولا در داخل کرکره ها، دیوارهاي رو به خورشید، سیستم هاي گرمایش از کف و یا مصالح ساختمانی مانند گچ به کار برده می شوند. تحقیقات و پژوهش هاي انجام شده نشان می دهد که استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در داخل ساختمان در حدود 19 درصد می تواند به صرفه جویی مصرف انرژي کمک کند. همچنین استفاده از این ماده سبب کاهش اندازه نوسانات دماي هواي داخل می شود و منجر به باقی ماندن دماي هواي اتاق براي مدت زمان طولانی تر نزدیک به دماي مطلوب می شود که این امر خود باعث بهبود شرایط آسایش حرارتی می شود.
