بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق پس از بیان مقدمهای از انگیزههای طراحی در زمینههای مختلف عملکرد مواد تغییر فاز دهنده به عنوان سیال عامل در بازیابی و تولید آبگرم مصرفی کندانسور، روند محاسبات در زمینهی تحلیل کانتورهای دما، فشار و نرخ تولید آبگرم مصرفی اجرا شد. در ادامه تحلیل افت انرژی و تحلیل ترمودینامیکی بر روی کندانسور انجام و نشان داده شد که کاهش دمای کندانسور و افزایش دمای مادهی تغییر فاز دهنده در بهبود ضریب عملکرد کندانسور و تولید آبگرم مصرفی تاثیر بسزایی خواهد شد.
بنابراین یک مسالهی بهینهسازی چندهدفه برای بیشینه کردن دمای مادهی تغییر فاز دهنده و کمینه کردن دمای کندانسور با متغیرهای هندسی این سازهها تعریف شد. فرمولبندی مسالهی بهینهسازی با معرفی الگوریتمی مبتنی بر انتخاب نقاط با روشLHD ، تشکیل مدل ریاضی با روش RSM و در نهایت تبدیل مسالهی بهینه سازی به بهینهسازی چندهدفه با روش میانگین هندسی و روش MDO انجام شد. در نهایت، ترسیم سهبعدی از توابع هدف - دمای سیال تغییر فازدهنده و دمای کندانسور - بر حسب متغیرهای طراحی برای سه ضخامت 1، 2 و 3 میلیمتر انجام و نتایج بهینهسازی چندهدفه طی جداولی ارائه شد. نتایج دو روش بهینهسازی میانگین هندسی و روش MDO تطابق مناسبی را با یکدیگر نشان دادند.
مقدمه
کاربرد مبدلهای حرارتی بسیار گسترده است و مبدلهای حرارتی همچون کندانسورها در صنایع تبرید، تهویه مطبوع، نیروگاهها و صنایع مرتبط با پتروشیمی، نفت، گاز و صنایع غذایی کاربرد وسیعی دارند. امروزه تحقیقات صنعتی و علمی زیادی با استفاده از روشهای عددی جهت صرفهجویی در انرژی و بهبود عملکرد کندانسورهای سطحی توسعه یافتهاند.
در گذشته یکی از راههای معمول برای بهبود عملکرد کندانسور، روش سعی و خطا براساس تجربیات طراح و دادههای آزمایشگاهی بوده است، اما تحلیل مهندسی کندانسور نیازمند درک صحیحی از تاثیرپذیری این سیستم از پارامترهای پراهمیت جریان و انتقال حرارت است. به همین دلیل کدهای تجاری مختلف CFD برای شبیهسازی جریان و انتقال حرارت در کندانسور توسعه یافته-اند. فرآیند تعیین بازیافت انرژی حرارتی تلفشده در کندانسور را میتوان به این صورت بیان کرد:
· نیازمندیهای اولیه: قبل از اقدام به بهبود راندمان انرژی در یک کندانسور، همه پارامترهای یک فرآیند باید دقیقا شناسایی شوند.
· مانیتورینگ مصرف انرژی در بخشهای مختلف کندانسور: این مرحله شامل مانیتورینگ جریانهای انرژی ازجمله استانداردهای مصرف انرژی در عملیات میعان کندانسور و پتانسیلهای تولید آبگرم مصرفی تشخیص داده شده است. یک مانیتورینگ موثر نتایج زیر را به همراه خواهد داشت:
.1 تعیین اهداف بازیابی آبگرم مصرفی
.2 پیگیری جهت دستیابی به اهداف صرفهجویی انرژی .3 تشخیص و ردیابی انحرافات در راه رسیدن به اهداف بازیابی کندانسور
· در یک روش مانیتورینگ موثر، تجهیزات اندازهگیری مناسب برای ثبت اطلاعات به کار گرفته میشوند. این اطلاعات باید در دسترس مهندسین طراح سیستم تهویه مطبوع در واحد صنعتی یا خانگی باشد.
· ارتقای راندمان در سیستم کندانسور: بکارگیری همه تدابیر لازم برای بهبود راندمان کندانسور، قاعدتا اتلاف حرارت را به حداقل میرساند و میتواند از این طریق بخشی از آبگرم مصرفی خانه را تامین نماید. اما نباید در زمانی که از عملکرد بهینه خود سیستم اطمینان حاصل نشده است، بکار گرفته شوند. اندازهگیریهای صحیح حین عملیات علیرغم هزینه اولیه پایین، منجر به صرفهجوییهای اساسی خواهد شد. روشهای بهینهسازی انرژی پیچیدهتر، باید بعد از اندازهگیریها و روشهای کم هزینه و بدون هزینه، مدنظر قرار گیرند.
سیستمهای ذخیرهسازی انرژی گرمای نهان حرارتی را میتوان برای بازیابی گرمای اتلافی از سیستمهای تهویه مطبوع مورد استفاده قرار داد. با استفاده از این سیستم میتوان از گرمای اتلافی سیستمهای تهویه مطبوع برای تولید آب گرم با دمای پایین استفاده کرد. این راه نه تنها باعث کاهش مصرف اولیه انرژی برای گرم کردن آب خانگی میشود، بلکه با جذب گرمای سیستم-های تهویه مطبوع، از گرم شدن محیط اطراف به دلیل این اتلاف گرمای سیستمهای تهویه مطبوع جلوگیری میکند. برخی مشکلات برای بازیابی حرارتی از سیستمهای تهویه مطبوع وجود دارد که باید برطرف شوند. این مشکلات را میتوان به صورت زیر دستهبندی کرد:
· تقاضای متناوب و غیر پیوسته آب خانگی: این مشکل در صورتی حل میشود که گرمای اتلافی سیستمهای تهویه مطبوع که به طور پیوسته در حال کار هستند، به طور پیوسته نیز در یک منبع ذخیره شود. همچنین یک ماده چند فازی مناسب نیز باید توسعه داده شود.
· تطبیق مناسب شرایط در حال کار واحد متراکم کننده و بهینهسازی حالت اجرایی برای دستیابی به عملکرد مطلوب اقتصادی
· ایجاد یک گرمایش کمکی برای اطمینان حاصل کردن از رسیدن به دما و دبی آب گرم مورد نیاز
· سازگاری خواص ترمودینامیکی مواد تغییر فاز دهنده - PCMها - برای بازیابی گرمای سیستمهای تهویه مطبوع
یکی از روشهای نوین و کارآمد در ذخیرهسازی انرژی حرارتی به فرم مناسب استفاده از مواد تغییر فاز دهنده PCM است تا این مواد انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره میکنند. به دلیل نقش فرآیندهای میعان در سیستم کندانسور، ذخیره کننده انرژی حرارتی، بررسی و شناسایی رفتار مواد تغییر فاز دهنده در حین فرآیند حائز اهمیت است، که در این پژوهش فرآیند تغییر فاز در یک ماده تغییر فاز دهنده با شبیهسازی عددی مورد مطالعه قرارگرفته است. شبیهسازی عددی با در نظرگرفتن معادلات حاکم بر رفتار تغییر فاز ماده و با در نظر گرفتن شرایط اولیه و مرزی مناسب به روش حجم محدود با استفاده از نرمافزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
برای بیان مسائل چند فازی نیز همانند دیگر مسائل، روشهای تجربی، تحلیلی و عددی بکار گرفته میشوند؛ اما مسائل چند فازی برای مدلسازی جهت حل عددی، مشکلاتی دارند که بررسی آنها را حائز اهمیت میکند. از جمله مشکلات موجود در این مسائل، وجود سطح مشترک بین چند فاز میباشد. این سطح مشترک سبب ناپیوستگی در کمیتهای موجود در مرز مشترک میشود. این ناپیوستگیها مدلسازی و اعمال شرایط مرزی در این مرزها را سخت و پیچیده میکند.
با توجه به اهمیت شناخت فرآیند چندفاز در شبیهسازی بازیابی کندانسور که در این تحقیق دنبال شده است، نیاز به آگاهی بیشتر در پیشبینی درست رژیم جریان و کاهش خطرات ناشی تغییرات فاز از قبیل کاویتاسیون، مدل کردن جریانهای چند فازی و شناخت عملکرد آنها امروزه بسیار حائز اهمیت میباشد. پیشبینی خواص فازهای گوناگون از قبیل دما و فشار و نیز شناسایی چگونگی تغییر سطح مشترک بین آنها کمک شگرفی در بررسی و تحلیل سیستمهای چندفازی میکند. از طرفی تسلط بر این شاخه از رشته مکانیک منجر به کاهش هزینه در شبیهسازی تجربی و نیز پیشبینی دقیق در نقاط بحرانی سیستم خواهد شد. بر همین اساس شبیهسازی عددی این نوع جریانها میتواند در تعیین شرایط بهینه کارکرد کندانسورها، بسیار مفید و پرکاربرد باشد.
پیشینه تحقیق
مطالعه بر روی مواد تغییرفازدهنده در سال 1950 به وسیله تلکس و ریموند انجام شد . - Telkes and Raymond, 1950 - در سالهای انتهایی دهه 70 مطالعاتی بر روی نحوه استفاده از ذخیرهسازی حرارتی بر مبنای مواد تغییرفازدهنده در مقیاس کوچک برای سفینههای فضایی و پس از آن در مقیاس بزرگ برای ساختمانها و سیستمهای انرژی خورشیدی برای مقابله با بحران انرژی در جهان انجام شده است.
پس از آن مطالعات زیادی بر روی این مواد، خصوصیات و عملکردهای مورد استفاده آنها پرداخته شده است. این روش ذخیرهسازی معایبی نیز دارد، که از آن جمله، انتقال حرارت کم، تغییر چگالی نسبتاً زیاد در حین تغییر فاز، عدم ثبات در خصوصیات در طول بازه تغییر فاز، تفکیک فازی و افت ناگهانی دما را میتوان نام برد. بعضی از این قبیل معایب را میتوان با در نظر گرفتن تمهیدات لازم برطرف نمود .
- Lacroix, 1993 - از جمله فعالیتهای صورت گرفته در زمینهی الگوهای جریان دو فازی غیر همسو میتوان به مدل ارائه شده توسط تایتل در سال 2002 اشاره کرد - Taitel and . - Barnea, 2002 آنها مدلی را برای افت فشار و الگوی جریان در لوله عمودی و برای جریان غیر همسوی کندانسور ارائه دادند و در مدل ارائه شده الگوی جریان را به دو ناحیه تقسیم کردند.
در یک ناحیه احتمال تشکیل هیچ گونه رژیمی وجود ندارد و ناحیهی دوم را به سه بخش تقسیم کردند؛ در بخش اول تنها امکان ایجاد رژیم حلقوی وجود دارد، در بخش دوم رژیمهای حلقوی و لختهای قابل تشکیل هستند و در بخش سوم رژیمهای حبابی، لختهای و حلقوی میتوانند پدیدار شوند. لان در سال 2003، به بررسی رفتار حدود دوهزار ماده به عنوان PCM در دامنه نقطه ذوب 10-90 درجه سانتی گراد پرداخت - Lane, . - 2003 اغلب این مواد به علت نقطهی ذوب نامناسب، تجزیه شدن در اثر ذوب شدن و یا فقدان اطاعات، نامناسب شناخته شدند.
با این وجود کاربرد هیچ مادهای به دلیل گرمای ذوب اندک، هدایت گرمایی ناچیز، دیاگرام فازی نامطلوب، فشار بخار بالا، تغییرات حجمی زیاد در نقطهی ذوب و دانسیته کم رد نشد زیرا که چنین موادی نیز ممکن است در برخی شرایط مزایای کافی داشته باشند. وینیسکسی و همکاران در سال 2007 یک مطالعه عددی و تحلیلی برای انتقال حرارت جابجایی طبیعی در محفظهی مستطیلی انجام دادند.
