بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی سیستم ذخیره ي انرژي حرارتی در یک مخزن ذخیره از نوع پوسته ولوله اي پرداخته شد. به این منظور هندسه ي مساله در نرم افزار انسیس فلونت رسم گردید و تنظمات لازم برروي آن صورت گرفت. سپس مقادیر حاصل ازشبیه سازي با داده هاي تجربی موجود اعتبار سنجی گردید. براي ماده ي تغییر فاز دهنده ي RT30 شبیه سازي صورت گرفت. در این شبیه سازي فرض بر این بود که فرایند انجماد در دماي ثابت رخ دهد. با توجه به این که دماي فاز مایع و فاز جامد این ماده تا حد زیادي به یکدیگر نزدیک می باشند، داده هاي تجربی هم بیان گر تغییر فاز در دماي تقریبا ثابت می باشد. تغییرات دمایی در ماده ي تغییر فاز دهنده در زمان هاي مختلف نشان داده شد. هدف اصلی که در این پژوهش دنبال شد بررسی نحوه ي اثر گذاري تغییر پارامترهاي مختلف بر روي سیستم ذخیره ي انرژي حرارتی بود . به این منظور پارمترهایی چون، قطر لوله ي سیال عامل، نوع ماده ي تغییر فاز دهنده، دماي ورودي سیال عامل و دبی جرمی سیال عامل بر روي انجماد ماده ي تغییر فاز دهنده بررسی شد.
کلمات کلیدي: تغییر فاز هم دما، مخزن ذخیره انرژي، روش آنتالپی، ماده ي تغییر فاز دهنده.
.1 مقدمه
ذخیره سازي بدین معنی است که زمان استفاده با زمان تولید متفاوت بوده وبراي بهره برداري مناسب از تجهیزات وانتقال بار نیاز به یک سامانه میانی ویا مخزن ذخیره سازي می باشد. ذخیره سازي انرژي از جمله مهمترین سرفصل هاي تحقیقاتی در زمینه بهینه سازي تولید ومصرف انرزي می باشد . بگونه اي که امروزه روشهاي مختلف ذخیره سازي انرژي با هدف مدیریت تولید ومصرف انرژي بسیار رایج گردیده و موضوع مذکور را در ردیف بخشهاي ضروري سیستمهاي مدیریت انرزي قرار داده است . اصولا استفاده از روشهاي ذخیره انرژي از قدمت بسیار طولانی برخوردار است. از جمله اولین روشهاي ذخیره سازي انرزي میتوان از انبار کردن چوب وسایر هیزم هاي مرسوم به منظور استفاده در فصل سرما ویا تولید یخ در یخچال هاي طبیعی وهمچنین ذخیره سازي انرزي گرمایی وسرمایی توسط دیواره هاي ضخیم نام برد. یکی از ویژگی هاي انرژي الکتریکی که آن را از سایر حامل هاي انرژي متمایز می گرداند عدم امکان ذخیره سازي آن به صورت انبوه ومستقیم می باشد.این خصوصیت باعث شده است که ذخیره سازي انرژي الکتریکی به صورت انرژي حرارتی،مکانیکی وشیمیایی مورد توجه قرار بگیرد .
از چهار انرژي مورد نیاز مصرف کنندگان یعنی انرژي حرارتی ،مکانیکی،روشنایی والکتریکی فقط انرژي حرارتی به صورت گسترده وبا حجم زیاد توسط مصرف کنندگانی که به شبکه قدرت متصل هستند قابل ذخیره سازي و سایر حامل ها به صورت محدود ودر مواردي با هزینه نسبتا زیاد قابل ذخیره هستند. به همین دلیل ذخیره سازي انرژي حرارتی به صورت عام وذخیره سازي سرما به صورت خاص در زمره مهم ترین سر فصل هاي تحقیقاتی در زمینه ایجاد تعادل بین تولید کننده ومصرف کننده انرزي الکتریکی مطرح می باشد. ذخیره سازي انرژي حرارتی،یکی از روش هاي یکنواخت ساختن تقاضا براي انرژي است به طوري که اعمال این راه کارها باعث کاهش بار در ساعت هاي بیشینه مصرف وافزایش ان در ساعتهاي دیگر می شود.بدیهی است که استفاده از ذخیره سازي براي یکنواخت کردن منحنی تقاضاي انرژي الکتریکی در بالا بردن بازده کلی نیروگاه هاي کشور وکاهش رشد تولید الکتریسیته موثر می باشد بنابراین در کشورهاي صنعتی مطالعه وتحقیق در این زمینه رشد چشمگیري داشته است.
ذخیره سازي انرژي بیشتر در مواردي کاربرد دارد که انرژي ارزان تر در اوقات کم مصرف شبانه روز در دسترس قرار داشته باشد. این در حالی است که مصرف بیشینه در ساعت هاي که فراهم نمودن انرژي لازم با مشکلاتی روبرو است به وقوع می پیوندد.به عنوان مثال می توان از تولید انرزي الکتریکی در نیروگاه ها نام برد که با کار در شرایط اسمی ومنحنی یکنواخت بار داراي بازده مکانیکی حرارتی بهتري هستند اما به دلایل الگوي مصرف موجود در کشور امکان عملکرد دائمی نیروگاه ها وجود نداشته ودر ساعاتی از شبانه روز عملکرد آنها در حد درصدي از ظرفیت کل است از سوي دیگر با توجه به رشد مصرف مربوط به افزایش جمعیت ورفاه عمومی ،نیاز به احداث نیروگاه هاي جدید اجتناب ناپذیر است.
امروزه استفاده از سیستم هاي ذخیره سازي سرما با هدف جابه جاي بار به عنوان یکی از روشهاي مدیریت بار در بسیاري از کشورها رایج گردیده است .در سیستمهاي مذکور از ظرفیت چیلر در ساعات غیر پیک به منظور تولید وذخیره سرما به منظور تامین بار برودتی در ساعات پیک استفاده میگردد. شرایط اقلیمی،محدودیت ها وپتانسیل اقتصادي نرخ تعرفه،چگونگی تغییر بار مصرف کنندگان،کاربري ساختمان ونوع تجهیزلت برودتی از عوامل متعدد در بررسی به کار گیري سیستمهاي ذخیره سازي سرما می باشند.
انرژي حرارتی را به دو صورت انرژي گرمایی محسوس و نهان می توان در مواد ذخیره نمود. در ذخیره انرژي محسوس1 انرژي حرارتی با افزایش دماي جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می شود. میزان انرژي محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می باشد. آب به دلیل داشتن ظرفیت گرمایی ویژه بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد جهت ذخیره محسوس انرژي می باشد. ولی در دماهاي بالاي 1000 درجه سلسیوس روغن، فلزات و نمک هاي مذاب جایگزین آب میشوند. ذخیره انرژي گرمایی توسط جسم به صورت نهان2 به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز صورت میگیرد. در طراحی هر سیستم ذخیره انرژي که بر مبناي مواد تغییر فاز دهنده عمل میکند، بایستی حداقل سه مورد زیر در نظر گرفته شود:
- 1 ماده تغییر فاز دهنده مناسب با دماي ذوب مورد نظر
- 2 مبدل حرارتی با سطح تبادل حرارتی مناسب
- 3 محفظه نگهدارنده ماده تغییر فاز دهنده که قابلیت جذب تغییرات حجم ماده تغییر فاز دهنده به هنگام تغییر فاز را داشته باشد و سازگار با آن باشد .
مواد تغییر فاز دهنده انرژي را به صورت گرماي نهان ذوب ذخیره میکنند. این مواد انرژي را تقریباً در همان دمایی که جذب میکنند، آزاد نیز می کنند. میزان ذخیره انرژي این مواد 5 الی 14 برابر انرژي است که موادي مانند آب یا سنگ می توانند به صورت محسوس در خود ذخیره کنند. در انتخاب ماده تغییر فاز دهنده بایستی دماي ذوب، خصوصیات ترمودینامیکی، شیمیایی آن و همچنین مقرون به صرفه بودن در نظر گرفته شود. انتخاب نوع ماده تغییر فاز دهنده وابسته به کاربرد و دماي طراحی سیستم می باشد، دماي عملکرد سیستم جهت گرمایش و یا سرمایش بایستی متناسب با دماي تغییر فاز ماده تغییر فاز دهنده باشد. هر چه گرماي نهان ذوب ماده تغییر فاز دهنده بالاتر باشد، موجب کاهش ابعاد سیستم ذخیره کننده می شود
و همچنین ضریب انتقال حرارت بالا به شارژ و تخلیه سیستم کمک می کند. هر چه چگالی ماده تغییر فاز دهنده بیشتر باشد میتوان سیستمی با ابعاد کوچکتر طراحی نمود و استفاده از موادي با کمترین تغییرات حجم به هنگام تغییر فاز با فشار بخار پایین، نگرانی در مورد بروز مشکلات زیست محیطی را به حداقل می رساند. مواد تغییر فاز دهنده آلی و غیر آلی بسیاري با توجه به دماي تغییر فاز و گرماي نهان ذوب وجود دارند. با این وجود به جز دماي نقطه ذوب و گرماي نهان ذوب، اکثر این مواد حداقل یک یا چند مورد از مشخصات ذکر شده قبلی براي ماده تغییر فاز دهنده ایده آل را دارا نمی باشند، بنابراین بایستی با انتخاب یکی از ماده تغییر فاز دهنده هاي موجود، سیستم را به نحوي طراحی نمود که کاستی هاي ماده تغییر فاز دهنده را جبران نماید.[1]
.2مروري بر مطالعات پیشین
در مورد مواد تغییر فاز دهنده تحقیقات مختلفی در راستاي ساختار آنها و کاربرد آنها در ذخیره انرژي صورت گرفته است . Canbazoglu و همکارانش [2] تاثیر به کارگیري نمک آبدار1 در یک سیستم آبگرمکن خورشیدي غیر فعال با مدار باز را به صورت تجربی مورد بررسی و مقایسه با سیستمهاي بدون مواد تغییر فاز دهنده قرار داد. نتایج حاکی از افزایش 3 .45-2.59 برابري ذخیره انرژي نسبت به سیستمهاي رایج بدون مواد تغییر فاز دهنده بود. استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در سیستم گرمایش هواي خورشیدي، مشابه آبگرمکن خورشیدي موجب افزایش قابلیت و اطمینان سیستم در ساعات نبود تابش خورشید میگردد. در انتخاب مواد تغییر فاز دهنده جهت بکارگیري در این سیستم ها مبناي انتخاب بایستی دماي ذوب باشد نه میزان گرماي نهان ذوب .
استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در دیوارها علاوه بر سبک تر شدن آنها، ذخیره انرژي را نیز به همراه دارد. مواد تغییر فاز دهنده که در این زمینه به کار می روندعمدتاً از نوع نمک هاي آبدار و یا هیدروکربنها هستند که معمولاً به همراه مواد افزودنی آهنی جهت افزایش ضریب هدایت حرارتی به کار میروند. [1] Hawes دو دیوار ذخیره کننده انرژي را مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان دادند که دیوار تغییر فاز دهنده با ضخامت 8.1Cm داراي عملکرد حرارتی بهتري نسبت به دیوار 40Cm که تنها از مصالح بنایی ساخته شده میباشد.
با قرار دادن مواد تغییر فاز دهنده در سقف هاي کاذب میتوان از آنها به عنوان بخشی از سیستم گرمایشی یا سرمایشی استفاده نمود. Reddy وهمکارانش [3] تاثیر استفاده از کپسول هاي تغییر فاز دهنده در سقف را به همراه سیستم هواساز مورد بررسی قرار دادند. دماي ذوب مواد تغییر فاز دهنده به کار رفته در این تحقیق در حدود 25C و نزدیک به دماي اتاق می باشد. گرمایش تشعشعی از کف داراي مزایاي زیادي نسبت به گرمایش از طریق جابه جایی میباشد. در این روش علاوه بر ایجاد گرماي مطلوب تر، فضاي اضافی براي نصب تجهیزات گرمایشی اشغال نمی شود. در صورتی که از گرمایش الکتریکی در کف استفاده شود می توان با به کارگیري مواد تغییر فاز دهنده در مصالح کف در مصرف انرژي الکتریکی به هنگام روز صرفه جویی نمود. در این روش هنگام شب که مصرف برق کمتر است، با روشن شدن سیستم الکتریکی مواد تغییر فاز دهنده ذوب شده و گرما را در درون خود ذخیره میکنند و در روز با قطع جریان الکتریکی این حرارت به محیط پس داده میشود .بدین
