بخشی از مقاله
چکیده
کاربردهاي حرارتی، با توجه به عملکرد بالاي خود در ذخیره انرژیو راندمان تبدیل انرژي در زمینه انرژي خورشیدي بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. در این کاربردها، کلکتور انرژي خورشیدي و سیستم هاي ذخیره سازي انرژي حرارتی دو جزء اصلی هستند. در این مقاله تمرکز بر روي ذخیره سازي حرارتی در کاربردهاي خورشیدیاست. با توجه به مشکل رسانایی حرارتی در مواد تغییر فاز، روشی جهت بهبود این کاستی پیشنهاد گردیدهاست که تلفیق ذخیرهسازي حرارت نهان و محسوس میباشد. نتایج شبیهسازي عددي این طرح با نتایج یک مقاله چاپ شده مقایسه شد و تطابق خوبی بین آنها مشاهده گردید. سپس طرح جهت سه سیستم "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري"، "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" و "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" مورد بررسی قرار گرفت و این نتایج حاصل گردید:
نرخ مبادله حرارت در "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" در مقایسه با "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه"، حدود %45/77 بیشتر میباشد، نرخ مبادله حرارت در "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري" حدود %7/5 کمتر از "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" و %36/79 بیشتر از "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" است، راندمان اگزرژي در "ذخیره سازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" در مقایسه با "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" همیشه بالاتر نیست و در رنج حدود %-7/03 تا %+33/31 تغییر مینماید،
راندمان اگزرژي تقریبا در کل بازه زمانی در "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري"کمتر از "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه"و "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" است، تقریبا همیشه نرخ انتقال اگزرژي در "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" بیشتر از "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" است و این افزایش تقریبا بیشتر از %35 میباشد و نرخ انتقال انرژي در "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري"تقریبا در تمام بازه زمانی کمتر از "ذخیرا سازي حرارت نهان تکی به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" و "ذخیرهسازي حرارت نهان به صورت سري به همراه سیال حرارت محسوس واسطه" است.
واژهاي کلیدي:ذخیرهسازي حرارتی سري، مواد تغییر فاز، حرارت نهان، حرارت محسوس، اگزرژي
.1 مقدمه
ذخیرهسازي انرژي حرارتیTES1 یک نقش اساسی در بالانس تقاضاي انرژي و تامین انرژي، بازي میکند. تکنولوژيهاي TES بر مواد تغییر فاز با کیفیت بالا PCM2 - ها - که باید ظرفیت ذخیرهسازي بالا و عملکرد انتقال حرارت عالی داشتهباشد، تکیه میکند. PCMها در طی دهه اخیر توجه تحقیقات گستردهاي را به خود جلب نمودهاند و همچنین در کاربردهاي متنوعی گسترش یافتهاند: ساختمانهاي ذخیره انرژي، آبشیرینکن خورشیدي، اجاق خورشیدي، بازیابی انرژي تلف شده در صنعت و طرحهاي نیروگاههاي خورشیدي.
بیشتر PCMها ظرفیت ذخیرهسازي بالایی در حدود 90 kJ/kg تا 330 kJ/kg دارند، اما همه آنها ضعف پایین بودن رسانایی حرارتی را دارند که حدود 0/2 W/ - mK - براي بیشتر پارافینها و 0/5W/ - mK - براي بیشتر نمکهاي معدنی میباشد. عملکرد پایین انتقال حرارت، کاربرد PCMها را در موقعیتهایی ك نیاز به سرعت در عملیات شارژ و دشارژ انرژي دارند، محدود کردهاست. محققان در صدد بودهاند تا روشهاي گوناگونی جهت بهبود انتقال حرارت در PCMها، پیشنهاد دهند، که عبارتند از: اضافه کردن بهبود دهندههاي رسانایی حرارتی PCMها، قراردادن واسطههاي انتقال حرارت متخلخل در داخل PCMها و ذخیره سازي انرژي حرارتی سري.
ذخیره سازي انرژي حرارتی سري CTES شامل PCMهاي متعدد با دماي ذوبهاي سري به عنوان یک راهحل براي کم شدن انتقال حرارت، که اغلب در زمان شارژ و دشارژ یک سیستم ذخیرهسازي PCM تک مرحلهاي رخ میدهد، پیشنهاد شده بود. در یک سیستم ذخیرهسازي PCM تک مرحلهاي، دماي سیال انتقال حرارت، وقتیکه انتقال حرارت با PCM صورت میپذیرد، به سرعت کاهش مییابد، در نتیجه اختلاف دماي بین PCM و سیال انتقال حرارت به طور قابل توجهی کاهش مییابد، که باعث انتقال حرارت ضعیف در پایان ذخیرهسازي میشود.[1] مشکل این است که PCM به سرعت در قسمت ورودي و با سرعت بسیار کم در پایان ذخیرهسازي، ذوب میشود. مشکل مشابهی براي فرآیند دشارژ رخ میدهد:
PCM ممکن است در انتهاي ذخیرهسازي جهت بالا رفتن دماي سیال انتقال حرارت به کار نرود. مشکلاتی از این قبیل میتواند توسط CTES3 حل شود، که در آن PCMهایی با دماهاي ذوب سري میتواند به حفظ اختلاف دماي نسبتا بالا کمک کنند. از آنجایی که ذخیره سازي سري کارایی مثبتی را در انواع ذخیرهسازي حرارتی از خود نشان داده است و همچنین در ذخیره- سازي حرارت محسوس نمکهاي مذاب بهترین راندمان را داشتهاند لذا در این مقاله جهت برطرف نمودن مشکل رسانایی پایین PCMها از یک سیال واسطه که یک نمک مذاب با رسانایی حرارتی بالا - که در این مقاله با قرار دادن پیشوند S مشخص گردیده است - جهت دریافت حرارت از سیال انتقال حرارت و انتقال آن به PCM استفاده شده است و بررسی میگردد.
.2 فیزیک مسئله
سه سیستم در این مقاله ارائه و مقایسه می شود. ذخیرهسازي انرژي حرارتی سري - CTES - ، ترکیب ذخیرهسازي حرارت محسوس و ذخیرهسازي حرارتی تک مرحلهاي - S-STES - و ترکیب ذخیرهسازي حرارت محسوس و ذخیرهسازي سري - S-CTES - که همه در شکل - 1 - به صورت مجزا نمایش داده شدهاند. S-STES از یک PCM تشکیل شدهاست و آن PCM4 است و در شکل - - a1 نشان داده شده است که مشخصات PCM2 را دارد. هر دو سیستم CTES و S-CTES از سه مرحله PCM در طول جریان سیال انتقال حرارت - HTF1 - ، 2PCM،1 و 3 که در شکل - - 1b,c نشان داده شده است، تشکیل میشوند. CTES و S-CTES از PCMهاي مشابه و ساختار مشترك ساخته میشوند فقط با این تفاوت که در S-CTES از یک سیال با ضریب انتقال حرارت بالا براي تسهیل در امر انتقال حرارت استفاده میشود.
مشخصات ترمو-فیزیکی PCMهاي استفاده شده در جدول - - 1 لیست شده است .[2] در شکل - - 1، HL - kJ/kg - و Tm - °C - به ترتیب نشان دهنده گرماي نهان و دماي ذوب میباشند، h و L نیز نشان دهنده اندازه-هاي سیستم هستند. HTF در هر سه سیستم از سمت چپ - با دماي ورودي - Tf0=390°C وارد و از سمت راست با دماي Tf - t - که با زمان تغییر میکند خارج میشود. دماي ذوب PCM4 با توجه به دماي ذوب میانگین 2PCM،1 و 3، انتخاب شده است بنابراین مقایسه بین سه سیستم توجیه پذیر می شود. دماي ورودي براي هر سه سیستم برابر 300°C است میباشد. بقیه پارامترهاي سیستم در جدول - - 2 آمده است.
در شکل - - 1، HL - kJ/kg - و Tm - °C - به ترتیب نشان دهنده گرماي نهان و دماي ذوب میباشند، h و L نیز نشان دهنده اندازه-هاي سیستم هستند. HTF در هر سه سیستم از سمت چپ - با دماي - 390°C وارد و از سمت راست با دماي Tf - t - که با زمان تغییر میکند خارج میشود. دماي ذوب PCM4 با توجه به دماي ذوب میانگین 2PCM،1 و 3، انتخاب شده است بنابراین مقایسه بین سه سیستم توجیه پذیر می شود. دماي ورودي براي هر سه سیستم برابر 300°C است میباشد. بقیه پارامترهاي سیستم در جدول - - 2 آمده است.
