آموزش شبیه سازی انتقال حرارت مواد تغییر فاز دهنده (PCM) در یک مخزن ذخیره

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی انتقال حرارت مواد تغییر فاز دهنده (PCM) در یک مخزن ذخیره

مقدمه­‌ای بر مواد تغییر فاز دهنده

مواد تغییر فاز دهنده (phase change material)، موادی با ترکیبات معدنی یا آلی هستند که قابلیت جذب و ذخیره‌­ی مقدار زیادی از انرژی حرارتی نهان را در خود دارند. ذخیره­‌ی انرژی حرارتی در این مواد، در طی فرایند تغییر فاز (فاز جامد به مایع و یا بالعکس) حاصل می­‌گردد؛ به طوری که در زمان تغییر فاز از جامد به مایع، گرما را از محیط جذب کرده و در زمان تغییر فاز از مایع به جامد، گرما را به محیط پس می­‌دهند. البته گرمای نهان در مواد تغییر فاز دهنده از سه حالت تغییر فاز جامد-جامد، جامد-مایع و جامد-گاز به دست می­‌آید؛ اما از آنجایی که در حالت جامد-گاز، گرما یا فشار بسیار زیادی لازم است و حالت جامد-جامد نیز بسیار به کندی انجام می­گیرد، بنابراین بیشتر مواد تغییر فاز دهنده در حالت جامد-مایع هستند. این مواد تغییر فاز دهنده دارای دماهای ذوب یا انجماد متنوعی می­‌باشند و از این­‌رو در سیستم‌­های سرمایشی و گرمایشی مورد استفاده قرار می­گیرند؛ بدین صورت که به عنوان مثال، این مواد گرمای محیط را در روز گرم در قالب گرمای نهان دریافت کرده و ذوب می­شوند و سپس در هوای خنک شب، دوباره با تغییر فاز و فرایند انجماد، گرمای خود را به محیط پس می­دهند. شکل زیر شماتیکی از نحوه­‌ی عملکرد مواد تغییر فاز دهنده را نشان می‌­دهد.

تعریف مسأله

مسأله­‌ی حاضر به شبیه­‌سازی عملکرد مواد تغییر فاز دهنده در یک مخزن ذخیره پرداخته است. این مواد تغییر فاز دهنده به صورت مجموعه‌­ای از شکل­‌های کروی درون فضای داخلی یک مخزن ذخیره­‌ی استوانه­‌ای قائم به عنوان مخزن ذخیره­ جانمایی شده‌­اند. عملکرد این مواد تغییر فاز دهنده بدین صورت است که جریان آب از لوله‌­ی ورودی قرار گرفته در بالای مخزن با سرعت 0.1 متربرثانیه و دمای 343 کلوین وارد فضای داخلی مخزن می­‌شود و با مواد تغییر فاز دهنده­‌ی کروی تبادل حرارتی انجام می­‌دهد، و سپس جریان آبی که دچار افزایش یا کاهش دما شده است، از بخش بالائی مخزن به بیرون خارج می­‌گردد. با توجه به این که ماهیت عملکردی مواد تغییر فاز دهنده­‌ی مدل حاضر بر مبنای تغییر فاز بین دو فاز جامد و مایع است، برای شبیه‌­سازی از مدل solidification and melting استفاده شده است. از آنجایی که فرایند شبیه سازی از نظر زمانی به صورت ناپایا انجام گرفته است، مدت زمان شبیه­‌سازی در بازه­ی 100 ثانیه و با گام زمانی 1 ثانیه صورت گرفته است. این شبیه­‌سازی در چند حالت مختلف انجام گرفته است؛ بدین صورت که از دو نوع ماده­‌ی تغییر فاز دهنده به نام­ه‌ای parafin و sat-g و در کره­‌هایی با شعاع­های 4 سانتی‌متر و 5 سانتی‌متر و در دو دمای ذوب مختلف شامل 333.15 کلوین و 332 کلوین انجام گرفته است. هدف از مسأله­‌ی حاضر، بررسی رفتار سیالاتی و حرارتی مواد تغییر فاز دهنده و تغییرات نسبت جرم مایع موجود در مخلوط جامد و مایع، بر اساس ابعاد فیزیکی مواد تغییر فاز دهنده (شعاع کره‌­ها)، دمای نقطه‌­ی ذوب و جنس مواد تغییر فاز دهنده می­‌باشد.

گام 1) تعریف هندسه و شبکه‌بندی

هندسه­‌ی مدل مذکور به صورت سه ­بعدی و با استفاده از نرم­‌افزار design modeler طراحی شده است. مدل حاضر شامل یک استوانه­‌ی قائم به عنوان مخزن ذخیره با دو لوله­‌ی باریک در بالای آن مخصوص ورودی و خروجی جریان می­‌باشد که مجموعه‌­ای از اشکال کروی به عنوان مواد تغییر فاز دهنده درون فضای داخلی آن چیدمان شده­‌اند. استوانه دارای شعاع 32.3 سانتی‌متر و ارتفاع 1.16 متر می­‌باشد و اشکال کروی به تعداد 104 و با شعاع 4 سانتیمتر یا 5 سانتیمتر درون فضای داخلی آن قرار گرفته‌­اند. شکل زیر نمایی از هندسه­‌ی ترسیمی را نشان می‌­دهد.

برای شبکه‌­بندی مدل حاضر از نرم‌­افزار ansys meshing و شبکه‌­بندی بدون سازمان استفاده شده است. تعداد سلول­‌های تولید شده در مدل برابر 757886 می­‌باشد. شکل زیر نمایی از شبکه‌­بندی انجام گرفته را نشان می‌­دهد.

گام 2) مراحل شبیه­‌سازی

برای شبیه­‌سازی مدل حاضر از چند فرض استفاده شده است:

• حل مسأله بر اساس دیدگاه مبتنی بر فشار (pressure-based) انجام گرفته است.
• شبیه­‌سازی به بررسی رفتار سیالاتی و انتقال حرارتی پرداخته است.
• شبیه­‌سازی مذکور از نظر زمانی به صورت ناپایا (unsteady) می­باشد؛ زیرا هدف مسأله، بررسی رفتار مواد تغییر فاز دهنده در گذر زمان است.
• اثر گرانش زمین بر روی مدل معادل با 9.81 متربرمجذورثانیه و در راستای محور y در نظر گرفته شده است.

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

مدل ذوب و انجماد (solidification and melting)

از آنجایی که مسأله­‌ی حاضر مربوط به شبیه‌­سازی مواد تغییر فاز دهنده‌­ی نوع جامد-مایع می­‌باشد، این مدل که مخصوص فرایند تغییر فاز بین حالت­‌های جامد و مایع می­‌باشد، مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش برای رهگیری کامل جبهه‌­ی مایع و جامد، به جای روش پیگیری مرز جامد و مایع به صورت صریح (explicit)، از تکنیک فرمولاسیون تخلخل آنتالپی (porosity-enthalpy) استفاده می­‌شود. در منطقه­‌ای که دربرگیرنده‌­ی مایع و جامد است، یک ناحیه‌­ی خمیری جامد-مایع (Mushy zone) به وجود می‌­آید که مانند محیط متخلخل رفتار می­‌کند؛ به طوری که مقدار تخلخل این محیط برابر کسر حجمی مایع می­‌باشد.

برای استفاده از مدل ذوب و انجماد باید حداکثر دمایی که در آن فقط فاز جامد حاکم است (T_solidus)، حداقل حداقل دمایی که در آن فقط فاز مایع حاکم است (T_liquidus) و گرمای نهان ذوب حلال در حالتی که خالص باشد (Pure solvent melting heat) را برای مدل تعریف نمود. درواقع، هر ماده­‌ی تغییر فاز دهنده باید دارای پارامترهای فوق باشد.

همان­طور که گفته شد، جنس مواد تغییر فاز دهنده خاص می‌­باشد. در مسأله­‌ی حاضر از دو نوع جنس مختلف تحت عنوان parafin و sat-g استفاده شده است. بنابراین این مواد با خواص ترموفیزیکی مخصوص خود برای نرم‌­افزار تعریف شده‌­اند. این مقادیر در جدول زیر نشان داده­ شده‌­اند.

گام 3) نتایج نهایی

این شبیه ­‌سازی در چهار حالت مختلف انجام گرفته است تا نتایج آنها با یک­دیگر مقایسه گردند. در حالت اول جنس مواد تغییر فاز دهنده از parafin با نقطه‌­ی ذوب 333.15 کلوین و با شعاع 4 سانتی‌متر می‌­باشد، در حالت دوم جنس مواد تغییر فاز دهنده از sat-g با نقطه­‌ی ذوب 333.15 کلوین و با شعاع 4 سانتی‌متر می‌­باشد، در حالت سوم جنس مواد تغییر فاز دهنده از sat-g با نقطه­‌ی ذوب 332 کلوین و با شعاع 4 سانتی‌متر می­باشد، و در حالت چهارم جنس مواد تغییر فاز دهنده از sat-g با نقطه‌­ی ذوب 333.15 کلوین و با شعاع 5 سانتیمتر می­‌باشد. همچنین در یک حالت، اصلاً از مواد تغییر فاز دهنده استفاده نشده است. پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو ­بعدی و سه ­بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت و نسبت جرم مایع به جرم مخلوط مایع و جامد به دست آمده‌­اند. این کانتورها مربوط به ثانیه‌­ی پایانی فرایند حل می‌­باشند. همچنین نمودار تغییرات نسبت جرمی مایع به جرم کل مواد تغییر فاز دهنده بر حسب زمان در طول فرایند شبیه­‌سازی به دست آمده‌­اند.

کانتورهای ترسیمی زیر مربوط به حالت اول می‌باشد.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای شبیه سازی انتقال حرارت در مخزن دخیره با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در نرم افزار انسیس فلوئنت   (ANSYS Fluent)  با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD  خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.