ذخیره حرارتی با PCM در مبدل حرارتی سه تایی، اعتبارسنجی عددی

توضیحات

شرح پروژه ذخیره حرارتی با PCM در مبدل حرارتی سه تایی

در این پروژه به شبیه سازی ذخیره حرارتی با PCM (ماده تغییر فاز دهنده) در مبدل حرارتی سه تایی با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم و نتایج را با مقاله مرجع “Internal and external fin heat transfer enhancement technique for latent heat thermal energy storage in triplex tube heat exchangers“ مقایسه کرده و سپس اعتبارسنجی کرده ایم.

 مبدل حرارتی لوله تریپلکس از دو لوله کواکسیال تشکیل شده است که مقطع مبدل حرارتی را به سه قسمت یا سه لوله تقسیم می کند.

در مبدل حرارتی طراحی‌شده در این شبیه‌سازی، لوله‌های داخلی و خارجی از آلومینیوم ساخته شده‌اند و فضای بین این دو لوله محل جریان مواد تغییر فاز است. مدل سازی به صورت دو بعدی و تنها بر روی بخشی از این مبدل حرارتی انجام می شود تا هزینه محاسباتی کاهش یابد. همچنین دو مدل مختلف از سطح مقطع این مبدل حرارتی طراحی شده است که مدل اول بدون پره (مورد A در مقاله) و مدل دوم دارای چهار پره در داخل خود (مورد B در مقاله) می باشد. همچنین PCM مورد استفاده در شبیه سازی RT82 است که ویژگی های آن بر اساس داده های جدول 4 مقاله تعریف شده است.

این ماده دارای چگالی برابر با 770 کیلوگرم بر متر مکعب، ظرفیت گرمایی ویژه برابر با 2000 j.kg-1.K-1، هدایت حرارتی برابر با 0.2 Wm-1.K-1 و ویسکوزیته برابر است. به 0.03499 کیلوگرم .m-1.s-1. همچنین با توجه به داده های این جدول حداکثر دمایی که در آن دمای فاز جامد است (دمای جامد) برابر با 15/350 کلوین و حداقل دمایی که فاز مایع در آن غالب است (دمای مایع) 15/358 کلوین است. گرمای ذوب حلال 176000 j.kg-1 تعریف می شود. در این مبدل حرارتی، دیواره داخلی لوله داخلی و دیواره بیرونی لوله خارجی عایق حرارتی در نظر گرفته می شود. در حالی که دیواره بیرونی لوله داخلی و دیواره داخلی لوله بیرونی که در تماس مستقیم با مواد PCM هستند دارای دمای ثابت 15/363 کلوین است.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ANSYS Design Modeler به صورت دو بعدی طراحی شده است. این مدل مقطعی از مبدل حرارتی سه لوله ای است که در دو حالت کشیده شده است. یک مقطع دایره ای طراحی شده است تا در هر دو مدل به صورت دو لوله هم محور با یکدیگر کشیده شود. بدین ترتیب چهار دایره با قطرهای مختلف ایجاد می شود. شعاع داخلی و خارجی لوله داخلی به ترتیب 25.4 میلی متر و 26.6 میلی متر و شعاع داخلی و خارجی لوله خارجی به ترتیب 75 میلی متر و 76 میلی متر است. در مدل اول، هیچ فین ای طراحی نشده است، اما در مدل دوم، دو فین به گونه ای طراحی شده اند که روی دیواره بیرونی لوله داخلی قرار گیرند و دو فین دیگر به گونه ای طراحی شده اند که روی دیواره داخلی لوله بیرونی به یکدیگر برخورد کنند. 

ما مش بندی مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام می دهیم و نوع مش ساختار یافته است. تعداد سلول های محاسباتی برای مطالعه موردی اول 23908 و برای دومی با  فین ها 24492 می باشد.

روش های استفاده شده

این شبیه سازی به علت این که فرایند ذوب و انجماد (Solidification and Melting) باید در زمان دیده شود، به صورت ناپایا (گذرا، وابسته به زمان، Transient) انجام شده است. معادله انرژی به منظور محاسبه توزیعات دمایی فعال می باشد و به علت تراکم ناپذیری جریان از حلگر فشار مبنا (Pressure-based Solver) استفاده شده است.

نتایج شبیه سازی ذخیره حرارتی با PCM در مبدل حرارتی سه تایی

اعتبار سنجی حاضر بر اساس نمودار شکل 14 مقاله مذکور است. این نمودار مربوط به تغییرات کسر ذوب در طول زمان است. این نمودار شامل طرح های هندسی مختلفی بر اساس چیدمان پره های مبدل حرارتی می باشد. در شبیه سازی حاضر، دو مطالعه موردی مربوط به موارد A و B از شکل 2 مقاله بررسی شده است. بر اساس تصاویر به دست آمده می توان گفت که تقریباً تمام مواد PCM پس از یک زمان مشخص به فاز مایع تبدیل می شود.

در پایان فرآیند حل، کانتورهای دوبعدی مربوط به دما و کسر جرم مایع برای هر دو مدل (مدل فین دار و مدل بدون فین) به دست می‌آید. با افزایش دمای مواد تغییر فاز، مقدار کسر حجمی مایع افزایش می یابد.