بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهاي ذخیرهسازي انرژي حرارتی نهان از یک بستر پر شده با کپسولهاي حاوي مواد تغییر فازدهنده به عنوان ماده ذخیره کننده انرژي و یک سیال عامل براي تبادل حرارت تشکیل شدهاند. یکی از کارآمدترین سیستمها در زمینه ذخیرهسازي انرژي حرارتی هستند که براي ذخیره انرژي حرارتی در سیستمهاي تهویه مطبوع و نیروگاههاي حرارتی بکار میروند. در مقاله حاضر براي مدل سازي سیستم ذخیره سازي انرژي از مدل اصلاح شده شومانز و مدل آنتالپی براي شبیه سازي استفاده شده است.
در ابتدا نتایج حاصل از این روش عددي با نتایج تجربی مقایسه گردیده و نشان میدهد که نتایج عددي همخوانی بسیار خوبی با نتایج تجربی دارند. و پس از آن فرآیند شارژ سیستم ذخیرهسازي انرژي که از پارافین واکس به عنوان ماده ذخیره کننده انرژي و آب به عنوان سیال انتقال حرارت در نظر گرفته شده بررسی شده است. علاوه بر این اثر دبی ورودي، دماي سیال ورودي و تخلخل بستر بر روي زمان شارژ کامل و میزان انرژي ذخیره شده در سیستم بررسی شده است.
-1 مقدمه
امروزه مسائل و مشکلات زیست محیطی مورد توجه بسیاري از صنایع قرار گرفته است، به طوري که حفظ سلامت اتمسفر از مهمترین پیش شرطها جهت توسعه اقتصاد جهانی میباشد. از این رو است که دهههاي آینده به عنوان سالهاي تلاش مشترك جامعه انسانی براي کنترل محیط زیستی سالم و در واقع تلاش براي تداوم زندگی انسان بر روي کره زمین خواهد بود.
از این جهت استفاده از انرژي هاي نو مثل انرژي خورشیدي، انرژي بادي، انرژي زمین گرمایی و زیست توده به جاي منابع فسیلی که علل اصلی تولید آلودگی هستند امري الزامی است. از طرف دیگر با توجه به بالا رفتن کیفیت زندگی امروزه نیاز بشر به منابع انرژي براي رفاه و آسایش نسبت به گذشته چندین برابر شده است. در حال حاضر سوختهاي فسیلی هر چند باعث ایجاد آلایندهاي زیست محیطی و غیره میشوند اما بیشترین سهم را در تامین منابع انرژي جهان دارند. این منابع دیر یا زود پایان می یابند این یک زنگ خطر بزرگ براي کشورهاي در حال توسعه از جمله ایران می باشد.
در ایران علاوه بر اینکه سوختهاي فسیلی تقریبا صد در صد تامین کننده منابع انرژي هستند، پایه اساسی اقتصاد را نیز تشکیل میدهند و اگر این روند ادامه داشته باشد و فکر اساسی براي آن نشود بدون شک دهههاي آینده سالهاي پر درد سري در تقابل محیط زیست و اقتصاد خواهد بود. این مشکلات باعث شده تا اینکه محققین به سمت توسعهي راههاي جدید براي بهره وري حداکثر از انرژيهاي تجدید پذیر گامهاي بردارند.
یکی از مشکلات انرژيهاي تجدیدپذیر بخصوص انرژي خورشیدي، که انرژي پاك و آزاد است متناوب و ناپایدار بودن آن است علاوه بر این در بیشتر مواقع تقاضا و عرضه انرژي با هم منطبق نیست بنابراین راه حل هر دو مشکل یک ذخیره سازي مناسب میباشد. با توجه به اهمیت سیستم ذخیرهسازي براي بر طرف کردن مشکلات فوق پژوهشهاي زیادي براي توسعهي این سیستمها صورت گرفته است. اسماعیل و همکارانش در سال2002 میلادي[1] مدل ریاضی براي پیش بینی عملکرد حرارتی مخزن استوانهاي که شامل کپسولهاي کروي حاوي آب به عنوان ماده تغییر فازدهنده ارئه دادهاند. در این مدل تاثیرات دماي سیال ورودي، سرعت جریان سیال در طول فرآیند انجماد بررسی شده است.
در سال 2007 میلادي کوسکسا و همکاران[2] یک مدل نظري براي تجزیه و تحلیل و بهینه سازي سیستمهاي خورشیدي با مخزن استوانه اي که حاوي کپسولهاي کروي شامل مواد تغییر فازدهنده است ارائه دادند. فلیکس و همکارانش در سال 2009 میلادي[3] یک مطالعه عددي براي بررسی تاثیر چند پارامتر بر روي پدیده شارژ و تخلیه یک بستر متخلخل استوانه اي که حاوي کپسولهاي پرشده با قهب هایی است که از طریق آنها آب جریان مییابد را ارائه دادند. در میان یافته هاي آنها نشان داده شد که طول انجماد کامل از طول عمل ذوب بزرگتر است و این به دلیل ضریب پایین انتقال حرارت در طول انجماد است.
این رفتار نامتقارن انتقال فاز در بسیاري از پیکربندي هاي سیستم، توسط نویسندگان مختلف مشاهده شده است. آرکار و همکارانش در سال2005میلادي[4] مطالعات تجربی و عددي ذخیره سازي گرماي نهان در یک سیلندر که با کپسولهاي حاوي پارافین پر شده است را انجام دادند. در این مطالعات به بررسی تاثیر دقت و صحت خواص حرارتی قهب ها بر روي نتایج عددي ، شناسایی پارامترهایی که بر روي پاسخ گرمایی سیستم ها اثر میگذارند و مشخص کردن دماي تغییر فاز مطلوب، پرداختهاند.
مطالعه تجربی و عددي توسط فلیکس و همکارانش در سال 2006میلادي[5] که در ارتباط با ذخیره سازي گرما در کپسول استوانه اي حاوي قهب است نشان داد که فرایند ذوب به طور عمده توسط تغییرات عدد استفان، طیفی از درجه حرارت ذوب کنترل میشود. بنابراین زمان کمتري براي کپسول هاي کوچک و براي اعداد استفان کوچک طول میکشد تا بطور کامل ذوب شوند و تحت آن شرایط شار گرما بزرگتر است. بن منصور و همکارانش در سال 2007میلادي[6] رفتار یک مخزن ساخته شده از ناحیه هاي تصادفی که با پارافین پر شده اند را مورد مطالعه قرار دادند. مدل عددي که مورد تایید قرار گرفت از نتایج تجربی استفاده میکند.
این آزمایشات نشان داد که زمان بارگیري سیستم هاي ذخیره سازي با نرخ دبی جرمی هوا کاهش مییابد. شووانگموو و همکارانش در سال 2011 میلادي[7] به بررسی مشخصههاي دینامیکی سیستم ذخیرهسازي انرژي حرارتی خورشیدي در هنگام تخلیه پرداخته اند. در این تحقیق یک استوانه عمودي که شامل کپسولهاي کروي حاوي مواد تغییر فازدهنده که بستر بسته بندي نامیده میشود به عنوان سیستم ذخیرهسازي انرژي حرارتی در نظر گرفته شده است.
معادلات حاکمه براساس مدل فاز جامد پیوسته نوشته شدهاند. براي حل عددي تحقیق خود از روش اختلاف محدود با شبکههاي متغیر استفاده نموده اند.
گر چه سیستم ذخیرهسازي انرژي توسط بسیاري از پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است. اما در تحقیق حاضر بر خلاف تحقیقات گذشته از مدل اصلاح شده شومانز و مدل آنتالپی با شبکه ثابت براي شبیه سازي رفتار حرارتی سیستم ذخیرهسازي انرژي استفاده شده است. در این تحقیق به بررسی رفتار حرارتی یک سیستم ذخیرهسازي انرژي که از کپسولهاي کروي حاوي مواد تغییر فازدهنده و سیال عامل آب تشکل شده، پرداخته شده است. و از این سیستم براي آبگرمکنهاي خورشیدي که نیاز به گرمکن دارند، میتوان براي ذخیره انرژي در روز و مصرف در شب استفاده نمود.
-2 معادلات حاکم
با توجه به اینکه ذرات ذخیره کننده انرژي تماس نقطهاي دارند و مخازن ذخیره سازي هم عایق کاري میشوند، در این تحقیق همانند بسیاري از تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته انتقال حرارت به صورت یک بعدي در جهت جریان سیال در نظر گرفته شده است.
در تحلیل یک بعدي و دو بعدي این سیستمها تفاوت زیادي وجود ندارد به همین دلیل این سیستمها را بیشتر به صورت یک بعدي تحلیل میکنند. با توجه به اینکه بستر بسته بندي شامل سیال انتقال حرارت و ماده ذخیره کننده انرژي است در واقع این سیستمها داري دوفاز هستند که معادله انرژي به صورت مجزا براي هر کدام از فازها نوشته میشود. در شکل - - 1 هندسه مورد مطالعه نشان داده شده است. که براي نوشتن معادلات حاکمه ابتدا المانی از بستر در نظر گرفته شده و معادلات حاکم براي قسمت سیال و قسمت جامد به طور جداگانه نوشته میشود.
شکل 1 لایه بندي سیستم ذخیره سازي انرژي
فرضیات بکاربرده شده در این مساله براي مدلسازي عبارتنداز:
-1 مخزن ذخیره سازي عایق کاري شده و به صورت عمودي در مدار قرار گرفته است که در هنگام شارژ سیال گرم از قسمت بالاي مخزن وارد مخزن می شود و پس از تبادل حرارت با مواد ذخیره کننده انرژي از قسمت پایین خارج شده و در هنگام تخلیه، سیستم ذخیره سازي جریان سیال سرد وارد مخزن شده و سیال گرم از آن خارج میشود.
-2جریال سیال در مخزن به صورت محوري و تراکم ناپذیر در نظر گرفته شده است.
-3 خواص ترموفیزیکی سیال انتقال حرارت ثابت هستند و به دماي سیال انتقال حرارت وابسته نیستند.
-4 تخلخل بستر که به صورت نسبت حجم خالی به حجم کل تعریف میشود در نقاط مختلف مخزن ثابت در نظر گرفته شده است.
