ارزیابی اثر امواج فراصوت در فرآیند ذوب و انتقال حرارت مواد تغییرفاز دهنده (مواد تغییرفاز دهنده)
ارائه دهنده:
اردیبهشت 98
1
3
انواع روش های ذخیره سازی انرژی حرارتی در مواد
انرژی گرمایی محسوس
با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می شود.
میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می باشد.
انرژی گرمایی نهان
به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز یا جامد به جامد صورت می گیرد
مواد تغییر فاز دهنده، انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب، ذخیره می کنند.
4
حالت اول: تغییر فاز از جامد به جامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک می باشد مناسب نیست.
حالت دوم: تغییر فاز از مایع به گاز هم به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا و همچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمی باشد.
حالت سوم: تغییر فاز از جامد به مایع مناسب تر است که این ویژگی در مواد تغییر فازدهنده مواد تغییرفاز دهنده وجود دارد، که در دمای ثابت با جذب گرما از فاز جامد به مایع تبدیل می شوند.[این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب می کنند، آزاد نیز می کنند. مواد تغییر فاز دهنده در دمای اتاق جامد هستند.
ذخیره سازی گرما از سه طریق تغییر فاز صورت می گیرد:
5
در شاخه مهندسی از مواد تغییر فازدهنده برای بکارگیری و ذخیره انرژی استفاده می شود.
این مواد تمایل به افزایش ذخیره سازی حرارت ده برابر بیشتر از آب و سنگ و زمین دارند.
ازنظر شیمیایی پایدارند.
قابل بازیافت هستند.
غیر واکنش پذیرند.
دارای طول عمر بالا
ویژگی های مواد تغییر فاز دهنده:
6
انواع مواد تغییرفاز دهنده:
معدنی
آلی
پارافین
غیر پارافینی
نمک های هیدرات
فلزات
7
مواد تغییر فاز دهنده آلی پارافینی:
معایب:
هدایت حرارتی پایین
عدم سازگاری با مخزن پلاستیکی
نسبتا قابل اشتعال
مزایا:
گرمای نهان ذوب بالا
تغییر حجم کم هنگام ذوب
فشار بخار پایین در حالت مذاب
غیر خورنده
نسبتا ارزان
8
مواد تغییر فاز دهنده آلی غیر پارافینی (اسیدهای چرب)
معایب:
گران قیمت بودن
خوردگی نسبی
مزایا:
گرمای نهان ذوب بالا
قابلیت اشتعال
نقطه اشتعال پایین
9
مواد تغییر فاز دهنده معدنی (نمک های هیدرات)
معایب:
ذوب غیر یکنواخت
مزایا:
گرمای نهان ذوب در واحد حجم بالا
هدایت گرمایی نسبتا بالا
تغییر حجم کم در هنگام ذوب
ارزان
عدم خوردگی و سازگار با پلاستیک ها
10
کاربرد مواد تغییرفاز دهنده:
مواد تغییرفاز دهنده با توجه به دمای تغییر حالتشان کاربردهای متنوعی پیدا کرده اند:
موادی که زیر C 15 ذوب می شوند، برای خنک کردن و تهویه هوای اتاق قابلیت استفاده دارند.
موادی که بالای C 90 ذوب می شوند، برای کاهش دما در جاهایی که دما ممکن است به طور ناگهانی بالا رود کاربرد دارند و مانع آتش سوزی می شوند.
سایر مواد تغییرفاز دهنده که دمای ذوبشان بین این دو مقدار است برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی کاربرد دارند.
مواد تغییرفاز دهنده برای سرد و گرم کردن در مقیاس کوچک نیز کاربردهای ویژه ای دارند؛ به عنوان مثال می توان تری هیدرات استات سدیم برای گرم کننده های دست در زمستان، یا اجاق های گرم کننده غذا که در آن یک لایه مواد تغییرفاز دهنده به کار رفته است را نام برد.
11
برخی از کاربردهای ذخیره سازی گرمای نهان
سیستم آب گرم خورشیدی خانگی
حرارت زایی و تهویه مطبوع خانه ها
ساخت پوشش
12
برخی از کاربردهای ذخیره سازی گرمای نهان
هدایت حرارتی کم مواد تغییر فاز دهنده به خصوص پارافین مانع عمده ای برای استفاده موفق در ساخت محصولات تولیدی می باشد.
راه حل این مشکل:
فن آوری های افزایش انتقال حرارت متفاوتی در بررسی های اخیر پیشنهاد شده است، این فن آوری ها شامل اضافه کردن مواد دارای هدایت حرارتی بالا مانند فوم فلزی، گرافیت و الیاف کربن است.
13
مواد تغییر فاز دهنده در مبدل حرارتی
14
اگرچه این تکنولوژی ها نتایج مثبت دریافت کرده اند، بیشتر آنها از این واقعیت رنج می برند که چگالی ذخیره سازی به دلیل فضای اشغال شده کاهش می یابد. برای مقابله با این مسئله، روش تقویت انتقال حرارت با استفاده از فراصوت در این مطالعه پیشنهاد شده است.
چنین روش هایی در مبدل های حرارتی و خشک کردن مواد غذایی بسیار موفقیت آمیز بوده است. در مقایسه با فن آوری های تقویت انتقال حرارت سنتی، کویتاسیون و اثرات فیزیکی آن می تواند باعث مخلوط کردن سیال و شکستن لایه مرزی لمیناری و در نتیجه بهبود انتقال حرارت طبیعی مواد تغییرفاز دهنده و انتقال حرارت بین مواد تغییرفاز دهنده و آب گرم شود.
هدف از این مقاله ارزیابی اثر فراصوت در فرآیند ذوب و انتقال حرارت مواد تغییرفاز دهنده میباشد. برای رسیدن به این هدف، از یک روش آزمایشی و یک سری تست در حین انجام روش، بهره برده شد.
15
شاخص های عملکرد:
قدرت آنی انتقال حرارت بین آب داغ و مواد تغییرفاز دهنده در طی فرآیند شارژ؛ با استفاده از سرعت جریان و اختلاف دمای آب داغ تعیین می شود و با معادله زیر محاسبه می شود.
P=ρqc (Tout-Tin)
هریک از مولفه های این معادله به ترتیب عبارتند از:
دانسیته، سرعت جریان، ظرفیت گرمایی ویژه، دمای خارجی و داخلی آب داغ.
16
شاخص های عملکرد:
ضریب انتقال حرارت کل میتواند با استفاده از قانون نیوتون محاسبه شود:
K= P/A (T out + T in/2 – T ave,مواد تغییرفاز دهنده )
بطوری که A و T ave,مواد تغییرفاز دهنده به ترتیب مساحت انتقال حرارت سیم پیچ گرم و دمای میانگین مواد تغییرفاز دهنده می باشد
17
Experiment Setup
18
رفتار ذوب مواد تغییر فاز دهنده در حضور و عدم حضور امواج فراصوت:
تصویر رفتار ذوب مواد تغییرفاز دهنده به همراه استفاده از فراصوت در طول روند شارژ
تصویر رفتار ذوب مواد تغییرفاز دهنده بدون استفاده از فراصوت در طول فرآیند شارژ
19
اثر امواج فراصوت در زمان شارژ مواد تغییرفاز دهنده:
20
تغییر کلی ضریب انتقال حرارت در طی روند شارژ مواد تغییرفاز دهنده:
21
نتیجه گیری:
یک روش انتقال حرارت ارتقا یافته با استفاده از امواج فراصوت در این مطالعه پیشنهاد شده است و یک سری آزمایش با استفاده از یک پلتفرم تجربی که قادر به شبیه سازی شرایط کار سیستم گرمایی خانگی است، انجام شد.دراین تحقیقات تاثیر امواج فراصوت بر روند شارژ / ذوب مواد تغییرفاز دهنده مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که در مقایسه با مواردی که در آن امواج فراصوت استفاده شده بود، زمان شارژ دستگاه LHS به میزان 60.60% کاهش می یابد و ضریب انتقال حرارت متوسط به میزان 26.697% افزایش می یابد و دمای ورودی و جریان آب گرم به ترتیب ℃60 و L/min 3 بود.
22
نتیجه گیری:
علاوه بر این، حباب های بسیار بیشتری در طول فرآیند شارژ تولید شد که باعث بهبود انتقال حرارت طبیعی مواد تغییرفاز دهنده و انتقال حرارت بین مواد تغییرفاز دهنده و آب گرم شد. این مطالعه اثربخشی امواج فراصوت بر روی فرآیند ذوب و انتقال حرارت ماده فاز را نشان می دهد. در مطالعات آینده، ما بر روی ایجاد مدل ریاضی واحدهای LHS با امواج فراصوت تمرکز خواهیم کرد.
بر اساس مدل، تاثیر قطرهای مختلف واحد LHS ، فرکانس های مختلف و مکان های تحت تاثیر امواج فراصوت مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و پارامترهای طراحی بهینه آنها مشخص می شود. برنامه های مختلف آن همچون سیستم های خنک کننده آب گرم خانگی وسیستم های خنک کننده خورشیدی نیز مورد بررسی قرار می گیرند.
23