بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیهسازی گذرای سهبعدی، برای مبدل حرارتی عمودی شکل صورت پذیرفته است. مقایسه نتایج به دست آمده از شبیهسازی و دادههای عددی و آزمایشگاهی تطابق خوبی را به خصوص در حالت پایدار نشان میدهند. سپس به بررسی عددی سه نمونه از پارامترهای تأثیرگذار بر عملکرد مبدل حرارتی پرداخته شد. نتایج به دست آمده نشان میدهد که در حالت سرمایش با افزایش ضریب هدایت حرارتی ملات پرکننده چاه دمای خروجی سیال کاهش یافته و در نتیجه میزان حرارت مبادله شده افزایش مییابد.
مقدمه
با افزایش روزافزون جمعیت جهان و توسعه صنعت، نیاز بشر به مصرف انرژی نیز با افزایش چشمگیری روبهرو شده است. زمین منبع عظیمی از سوختهای فسیلی را در اختیار انسان قرار داده است. با این وجود، محدودیت ذخایر این منبع انرژی و همچنین آسیبهای زیست محیطی ناشی از به کار بردن محصولات آن، بسیاری از کشورها و نهادهای بینالمللی را به فکر استفاده از منابع جایگزین آن انداخته است. در کنار انواع انرژیهای تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید، باد، امواج اقیانوس، جزر و مد و ... یکی دیگر از منابع مستعد انرژی، زمین میباشد. بر خلاف سوختهای فسیلی، این نوع انرژی منبع نسبتا پاک و تجدیدپذیری در نظر گرفته میشود.
یکی از روشهای استفاده انرژی عمق زمین، به کارگیری پمپهای حرارتی با منبع زمینیٌ میباشد . دما در عمق مشخصی از زمین در طول سال تقریبا ثابت باقی میماند و در زمستان گرمتر از هوای محیط و در تابستان خنکتر از آن میباشد. پمپهای حرارتی زمینی با استفاده از این ویژگی، از زمین به عنوان چشمه یا چاه حرارتی جهت گرمایش و سرمایش ساختمان استفاده مینمایند. یکی از مهمترین بخشهای سیستمهای پمپ حرارتی در استفاده از انرژی زمین، مبدل حرارتی آن میباشد.
مکانیزم عملکرد این سیستمها به این صورت است که سیال عامل - که معمولا آب یا محلولی از آب و ضدیخ میباشد - از طریق لولههای به کار رفته در مبدل حرارتی زمینی - که معمولا از جنس پلیاتیلن با چگالی بالاٍ میباشد - به عمق زمین رفته و حرارت را با زمین مبادله میکند. سپس آب برگشتی به واحد نصب شده در ساختمان منتقل شده و در آنجا ضمن انجام فرآیندهای مناسب آمادهی بهرهبرداری در واحد مصرف میگردد. مبدلهای حرارتی زمینیَ را از لحاظ آرایش و نحوه قرارگیری آنها در زمین به دو دسته عمودی و افقی تقسیمبندی مینمایند.
در مبدلهای زمینی افقی، لولههای مبدل در عمق کمی از زمین - حدود 1 تا 2 متر - نصب میشوند اما نیاز به مساحت بالایی جهت نصب دارند. در مبدلهای عمودی، لولهها عموما به صورت -U شکل و به حالت عمودی درون زمین قرار میگیرند و به همین دلیل به آنها مبدلهای حرارتی -Uشکل نیز گفته میشود. از مهمترین مزایای این مبدلها نیاز به مساحت کمتر جهت نصب، نوسانات کمتر به تغییرات آب و هوایی به دلیل عمق زیاد و در نتیجه راندمان حرارتی بالاتر این سیستمها میباشد.
در زمینه پمپهای حرارتی با مبدل عمودی مطالعات زیادی صورت پذیرفته است که از جمله آنها میتوان به کار آقایان هپباسلی و اکدمیر [1]، مرزبان راد و همکاران [2]، خلجزاده و همکاران [3]، سیاوشیکرد و جزایری [4] و چن و همکاران [5] اشاره نمود. در این مقاله از آنجا که به بررسی مبدلهای حرارتی زمینی با کاربردهای خانگی و اداری پرداخته شده است و به دلیل آنکه در این موارد با محدودیت فضای در دسترس مواجه هستیم، شبیهسازی سهبعدی مبدلهای حرارتی عمودی -U شکل در حالت سرمایش مورد بررسی قرار گرفته و تأثیر برخی از پارامترهای تأثیرگذار بر آن مورد بررسی و تفسیر قرار میگیرد.
تعریف مسئله
در پژوهش حاضر، شبیهسازی کامل سهبعدی یک مبدل حرارتی عمودی -U شکل با منبع زمینی جهت تأمین سرمایش محیطی صورت پذیرفته است. هندسه مسئله از یک ناحیه سیال و سه ناحیهی جامد، شامل لوله -U شکل، ملات پر کننده چاه و خاکهای اطراف تشکیل شده است. سیال ورودی - آب - از طریق یکی از ساقهای مبدل -U شکل وارد زمین شده و پس از مبادله حرارت با خاک از طریق ساق دیگر خارج میشود. شماتیکی سهبعدی از نواحی مجزاء تعریف شده در سیستم، در شکل - 1 - نمایش داده شده است. به دلیل تقارن موجود در مسئله و جهت کاهش زمان محاسبات تنها نیمی از هندسه کامل مسئله مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل -1 شماتیکی سهبعدی از نواحی مجزاء تعریف شده در سیستم - در حالت سرمایش -
در این مسئله به دلیل شرایط حاکم بر سیستم و یا سادهسازی معادلات، از فرضهایی استفاده شده است که در زیر به آنها اشاره میشود:
· سیال مورد استفاده لزج و تراکم ناپذیر میباشد.
· جریان عبوری از لوله آشفته بوده و مسئله برای حالت گذرا حل شده است.
· انتقال حرارت در بخش سیال از نوع جابجایی بوده و در بخش جامد از نوع هدایت میباشد.
· ملات و خاک مورد استفاده همگن بوده و خواص حرارتی آنها در طول فرآیند ثابت باقی میماند.
· از مقاومت حرارتی تماسی میان اجزا صرفنظر شده است.
معادلات حاکم تغییرات دما در عمق زمین
بر خلاف بسیاری از پژوهشهای انجام شده در زمینه مبدلهای حرارتی زمینی که دمای زمین را ثابت در نظر گرفتهاند، در این پژوهش دمای زمین دستنخورده - زمینی که حالت طبیعی خود را دارا بوده و تحت عملیات حفاری، خاکبرداری و فرآیندهای مشابه قرار نگرفته باشد - تابعی از عمق زمین و روزهای مختلف در فصول سال در نظر گرفته میشود. کاسودا [6 ] در سال 1965 بر اساس شبیهسازی انتقال حرارت هدایتی گذرای یکبعدی در یک جسم جامد نیمه بینهایت معادلهای را به دست آورد که با آن میتوان دمای زمین دستنخورده را به صورت تابعی از عمق زمین و زمان سال نشان داد که در معادله - 1 - نشان داده شده است
