بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، فرآیند ذوب یک ماده تغییر فاز دهندهی در داخل یک محفظهی مربعی - دایروی بهصورت عددی مورد بررسی قرار میگیرد. در این مدل دیوارههای خارجی محفظه عایق میباشند و بر روی دیواره داخلی چشمه حرارتی با دمای ثابت 316 کلوین قرار داده میشود. هدف از این تحقیق بررسی نحوه ذوب شدن یک ماده تغییر فاز دهنده - پارافین - در داخل یک محفظه است. سیال شامل مواد تغییر فاز دهنده ذوبشده در نظر گرفته میشوند.
مقدمه
استفاده از مواد تغییر فاز دهنده بعد از بحران انرژی در سالهای 1973-1974، به منظور ذخیره انرژی حرارتی که به صورتهای گرمای محسوس1 و گرمای نهان2 آزاد میشود، بهعنوان یک جنبه مهم از مدیریت انرژی مطرح شد. امروزه ذخیرهی محدود سوختهای فسیلی و نگرانیها در خصوص انتشار گازهای گلخانهای، استفاده مؤثر از انرژی را به موضوعی کلیدی تبدیل نموده است.
استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی حرارتی راهحلی واقعبینانه و هوشمندانه برای افزایش بازدهی ذخیره و استفاده از انرژی در بسیاری از بخشهای خانگی و صنعتی است. بکارگیری مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی، علاوه بر اینکه نابرابری بین عرضه و تقاضا را کاهش داده، عملکرد و اعتبار شبکههای توزیع انرژی را بهبود بخشیده و نقشی کلیدی در ذخیره انرژی بازی میکند. مواد تغییر فاز دهنده در طول فرآیندهای ذوب و انجماد دارای آنتالپی ذوب بالا همراه با توانایی ذخیره و آزادسازی مقادیر بزرگی از انرژی در حجم نسبتاً کوچک تحت عنوان گرمای نهان هستند.
علاوه بر این، لازم است که دمای تغییر فاز مواد تغییر فاز دهندهی مورداستفاده در محدودهی دمای کاری موردنظر بوده و دارای خاصیت حرارتی بالایی برای انتقال حرارت مؤثر باشند، همچنین لازم است که این تغییر فاز بهمنظور اجتناب از جداییهای بازگشتناپذیر عناصر تشکیلدهنده، متجانس باشد. معیار اصلی انتخاب مواد تغییر فاز دهنده برای کاربردهای خاص، چگونگی تغییر دمای این مواد است. برای انتخاب درست باید پارامترهای مهمی از قبیل مقادیر بالای گرمای نهان، خاصیت هدایت حرارتی و همچنین پایداری چرخهای آنها را در نظر گرفت . مهمترین مشکل در استفاده از مواد تغییر فاز دهنده خاصیت هدایت حرارتی پایین این مواد در فرآیندهای ذوب و انجماد است که مکانیسمهای بکار گرفتهشده برای بهبود این شرایط موردبحث قرارگرفتهاند.
×طبقهبندی مواد تغییر فاز دهنده
در طول 40 سال دستهبندیهای مختلفی از مواد شامل نمکهای هیدرات، پارافینهای جامد، اسیدهای چرب، ترکیبهای آلی و غیر آلی از خوش گذارهاَ و پلیمرها، بهعنوان مواد تغییر فاز دهندهی کاربردی موردتوجه قرارگرفتهاند. مواد تغییر فاز دهنده را میتوان بر اساس گسترهی دمایی که تغییر فاز ذخیره انرژی حرارتی در آن اتفاق میافتد به سه گروه اصلی تقسیم نمود:
.1 مواد تغییر فاز دهندهی دماپایین با دمای تغییر فاز زیر 15œC کهمعمولاً در کاربردهای تهویه مطبوع و صنایع غذایی مورداستفاده قرار میگیرند.
.2 مواد تغییر فاز دهنده با دمای متعادل، که پرکاربردترین مواد میباشند، که دارای دمای تغییر فاز در گسترهی دمایی 90-15œC است و در کاربردهای خورشیدی، پزشکی، نساجی، الکترونیکی و ذخیره انرژی در طراحیهای ساختمانی مورداستفاده قرار میگیرند.
.3 مواد تغییر فاز دهندهی دما بالا، که دمای تغییر فازشان بالای 90œC است که در صنایع و هوافضا کاربرد دارند استفاده از این مواد در صنعت ساختمان، نساجی، بخشهایی از خودروسازی، تأسیسات انرژی خورشیدی کاربرد داشته که در سالهای اخیر استفاده از آنها در الکترونیک و پزشکی افزایش چشمگیری یافته است.
خاصیت هدایت حرارتی
تمامی مواد تغییر فاز دهندهی متداول دارای خاصیت هدایت حرارتی بسیار پایینی هستند که به دلیل کاهش نرخ شارژ و دشارژ غیرقابلقبول هستند. باوجوداینکه مواد تغییر فاز دهنده متداول دارای میزان چگالی انرژی بالایی هستند، پایین بودن سرعت ذوب و انجماد کاربرد آنها را در سیستمهای ذخیره انرژی حرارتی گرمای نهانُ محدود کرده است. خاصیت هدایت حرارتی را میتوان با روشهای مختلفی مانند موارد ذکرشده در زیر افزایش داد:
❖ اضافه کردن مواد با خاصیت هدایت حرارتی بالا
❖ استفاده از استوانههای پره دار با چیدمانهای مختلف
❖ واردکردن مواد تغییر فاز دهنده به داخل ماتریس فلزی
❖ میکرو کپسوله کردن
❖ اشباع مواد تغییر فاز دهنده با مواد متخلخل
6 ویژگیهای مورد ارزیابی
6-1 مدل فیزیکی
مدل فیزیکی، یک محفظه مربعی شکل با در نظرگرفتن یک محفظه دابره ای داخلی می باشد. این محفظه با ماده تغییر فاز دهنده پارافین جامد پر میگردد. دیوارههای خارجی عایق و دیواره های داخلی به صورت چشمه حرارتی با دمای 316 کلوین در نظر گرفته می شود. همچنین برای کاهش حجم محاسبات، مدل به صورت متقارن و به شکل 2 در نظر گرفته شده است. همچنین فرضیات زیر در انجام تحقیق حاضر در نظر گرفتهشده است:
❖ ماده تغییر فاز دهنده غیرقابل تراکم بوده و در فاز مایع، سیالی نیوتنی است. فرآیند ناپایا و جریان آرام است.
❖ از اتلاف ویسکوزیته، انقباضهای حجمی در طول فرآیند ذوب و تشعشعات حرارتی صرفنظر میشود.
❖ خصوصیات فیزیکی ماده تغییر فاز دهنده بهصورت تابعی از دما در نظر گرفته میشود.
