انجماد و ذوب PCM در لوله چین‌دار، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

انجماد و ذوب ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در لوله چین‌دار، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (لوله چین‌دار)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی انجماد و ذوب (solidification and melting) مربوط به ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در لوله چین‌دار (corrugated tube) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

مسأله حاضر به بررسی انجماد و ذوب یک ماده تغییر فاز دهنده (PCM) در داخل یک لوله با سطح داخلی موج‌دار می‌پردازد. به طور کلی، مواد تغییر فاز دهنده موادی با ترکیبات آلی هستند که می‌توانند مقادیر زیادی انرژی گرمایی نهان (atent thermal energy) را جذب و ذخیره کنند.

ذخیره انرژی حرارتی در این مواد طی فرآیند تغییر فاز (فاز جامد به مایع یا بالعکس) به دست می‌آید. به طوری که هنگام تغییر فاز از جامد به مایع، گرما را از محیط اطراف خود جذب می‌کند (باعث سرد شدن فضای اطراف می‌شود)، و در هنگام تغییر فاز از مایع به جامد، گرما را به محیط اطراف خود باز می‌گرداند (باعث گرم شدن فضای اطراف می‌شود).

ماده تغییر فاز دهنده مورد مطالعه در این شبیه‌سازی، پارافین است. چگالی (density) آن برابر با 150 kg/m³، ظرفیت گرمایی مخصوص (specific heat capacity) برابر با 2000 j/kg.K، هدایت حرارتی (thermal conductivity) برابر با 0.2 W/m.K و ویسکوزیته (viscosity) برابر با 0.03499 kg/m.s است.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) ترسیم شده است. سپس این مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی می‌شود. مش بندی مدل از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 115362 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

در این شبیه سازی، از مدل انجماد و ذوب (solidification and melting model) برای تعریف مواد تغییر فاز دهنده استفاده شده است.

برای تعریف پارافین به عنوان عامل تغییر فاز، حداکثر دمایی که در آن دمای فاز جامد است (solidus temperature) معادل 350.15 کلوین و حداقل دمایی که دمای فاز مایع در آن است (liquidus temperature) معادل 358.15 کلوین و گرمای ذوب حلال خالص (pure solvent melting heat) معادل 176000 j/kg تعریف می‌شود.

در این شبیه سازی، از حلگر گذرا (transient) با گام زمانی برابر با یک ثانیه استفاده می‌شود.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contpur) دما، گرادیان دما، فشار و کسر مایع (liquid fraction) به دست می‌آیند. از آنجایی که شبیه سازی از نظر زمانی به صورت ناپایا (unsteady) انجام می‌شود، نتایج حاضر مربوط به 7000 ثانیه فرآیند شبیه سازی است.

نتایج به درستی نشان می‌دهد که رفتار ماده تغییر فاز دهنده (PCM) با دمای آن مطابقت دارد. دمای PCM با دریافت گرمای لوله داخلی افزایش می‌یابد. درنتیجه، با آزادسازی گرمای نهان خود دچار تغییر فاز می‌شود. در نواحی دارای افزایش دما، PCM از جامد به مایع تغییر می‌کند.