پديد آورنده :
مشايخ، افشين
عنوان :
طراحي ترموهيدروليكي مبدل حرارتي مناسب با مواد تغيير فاز دهنده (PCM) جهت خنك كاري باتري خودروهاي الكتريكي هنگام شارژ سريع
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
چهارده، 85ص. : مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
محمدرضا سليم پور
استاد مشاور :
محسن ثقفيان
توصيفگر ها :
مبدل حرارتي , مواد تغيير فاز دهنده , خودروهاي الكتريكي , باتري ليتيم-يوني , شارژ سريع
استاد داور :
محسن دوازده امامي، احمد سوهان كار
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/07/08
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/07/10
چكيده فارسي :
خودروهاي الكتريكي براي توسعه هر چه بيشتر و گسترش در جوامع مختلف موانع زيادي بر سر راه دارند. يكي از بزرگ‌ترين اين موانع، فرآيند شارژ كردن باتري خودرو مي‌باشد كه بايد در كم‌ترين زمان ممكن انجام گيرد. كاهش زمان شارژ باتري موجب افزايش دما و حرارت توليدي در سلول‌هاي باتري مي‌شود كه در صورت عدم دفع حرارت و كنترل دما، آسيب‌هاي جدي به باتري و خودرو وارد مي‌گردد؛ بنابراين طراحي و استفاده از يك سيستم مديريت حرارت باتري ويژه‌ي فرآيند شارژ سريع در خودروهاي الكتريكي امري اجتناب‌ناپذير است. از طرفي يكي از روش‌هاي رايج جهت خنك كاري وسايل الكتريكي از قبيل باتري‌هاي ليتيم-يوني، استفاده از مواد تغيير فاز دهنده يا به‌اختصار PCM مي‌باشد. PCM-ها به دليل گرماي نهان بالا مي‌توانند حين تغيير فاز، حرارت زيادي را در دماي تقريباً ثابت جذب يا دفع نمايند. در اين پژوهش سعي شده است تا با استفاده از شبيه‌سازي عددي يك مبدل حرارتي مناسب با مواد تغيير فاز دهنده (PCM) جهت خنك كاري باتري خودروهاي الكتريكي هنگام شارژ سريع طراحي شود. مبدل حرارتي به شكل لوله-پوسته طراحي شده است به شكلي كه جريان سيال از درون داكت‌هاي مربعي شكل عبور مي‌كند و فضاي پوسته از PCM پر شده است. نحوه كار به اين شرح است كه حرارت از باتري به‌وسيله يك سيال واسط (مانند آب) جذب مي‌شود و سپس با عبور از مبدل حرارتي، حرارت جذب شده را به PCM داده و موجب ذوب شدن آن مي‌گردد. به‌اين‌ترتيب حرارت از باتري خودرو دفع مي‌گردد. پس از اتمام فرآيند شارژ، جريان هوا در درون مبدل حرارتي به وجود مي‌آيد تا با جذب حرارت از PCM سبب انجماد PCM و آماده‌سازي مبدل حرارتي براي ايستگاه شارژ بعدي گردد. شبيه‌سازي مسئله به‌صورت هندسه سه‌بعدي و گذرا و با استفاده از نرم‌افزار ANSYS-Fluent و مدل حل گر Solidification & Melting انجام شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه اثر كاهش 50 درصدي طول مبدل حرارتي و همچنين كاهش 80 درصدي دبي كل جريان آب، با كاهش ضخامت لايه PCM حول داكت سيال تا 20 درصد و نيز افزايش ℃ 2 دماي آب ورودي به مبدل حرارتي، جبران مي‌گردد. همچنين اين نتيجه به دست مي‌آيد كه آشفته نمودن جريان آب ورودي به مبدل حرارتي، موجب بهبود نرخ حرارت جذب شده توسط سيستم مبدل حرارتي مي‌گردد. به‌علاوه جهت جانمايي راحت‌تر مبدل حرارتي در فضاي خودرو از مدل‌هاي چند مسيره استفاده شده است. نتايج اين مدل‌ها نشان مي‌دهد كه افزايش عدد رينولدز جريان آب در محدوده جريان آشفته، كمك شاياني به بهبود شرايط انتقال حرارت نمي‌كند و تنها موجب افزايش افت فشار در جريان آب خواهد شد. لذا مدل دو مسيره با افت فشاري تا 83 درصد كم‌تر در هر مسير نسبت به دو مدل ديگر، به‌عنوان مدل و هندسه بهينه در مرحله ذوب شدن PCM انتخاب شده است. در قدم بعدي، اين مدل براي مرحله انجماد PCM و با استفاده از جريان هواي سيستم تهويه مطبوع خودرو بررسي شده است و نتيجه به‌دست‌آمده حاكي از انجماد كل PCM قبل از حد زماني موردنظر مي‌باشد؛ بنابراين مدل دو مسيره به‌عنوان ساختار بهينه مبدل حرارتي هم در مرحله جذب حرارت از باتري (ذوب شدن PCM) و هم در مرحله دفع حرارت به محيط (انجماد PCM) انتخاب مي‌گردد.
چكيده انگليسي :
Electric vehicles face many obstacles to grow further and become widespread in various societies. One of the most serious obstacles is charging the vehicle’s battery which must be done in the shortest possible time. Reduction of battery charging time increases the temperature and also heat generation rate in battery cells; and if the heat is not removed and the temperature is not controlled, serious damages will threaten the battery and vehicle. Therefore, designing and installing a suitable battery thermal management system in electric vehicles exclusively for the fast-charging process is inevitable. On the other hand, one of the most common methods for cooling electrical appliances such as Lithium-ion batteries is using phase change materials (PCM). PCM can absorb or release large amounts of heat at an almost constant temperature during phase change due to its high latent heat of fusion. In this research, a suitable PCM heat exchanger for cooling the battery of electric vehicles during fast-charging has been designed by using numerical simulation. The heat exchanger has been designed in the form of a shell and tube in such a way that the fluid flows through the square-shaped ducts and the shell space is filled with PCM. The way that the system works is that the heat generated in the battery is absorbed by a heat transfer fluid (like water) and then by passing through the heat exchanger, fluid transfers the absorbed heat to PCM and causes it to melt. In this way, the heat generated in battery cells is removed from the vehicle. After the charging process, the air is flowed inside the heat exchanger to solidify PCM by absorbing its stored heat and then preparing the heat exchanger for the next fast-charge station. The problem has been simulated in three-dimensional geometry and transient conditions, using Ansys-Fluent software with the Solidification & Melting model as the solver. The results mention that the influence of 50 percent reduction in heat exchanger’s length and also 80 percent reduction in water mass flow rate have been compensated by 20 percent reduction in the thickness of PCM layer around fluid ducts and 2℃ increase of inlet temperature of the water. Besides, by making the flow of inlet water turbulent, improve the rate of heat absorption in the heat exchanger system. Besides, for more convenient placement of the heat exchanger in the electric vehicle space, multi-pass models have been studied. The results of multi-pass models illustrate that increasing the water flow Reynolds number in turbulent range improves the heat transfer conditions insignificantly, and also causes an increase in pressure drop of the water flow. Since the two-pass model with less pressure drop up to 83 percent in each pass, has been selected as the optimal model for the PCM melting stage. In the next step, this model has been investigated for the PCM solidification stage in which the fluid is the airflow of the air-conditioning system of the vehicle. The results indicate that the whole PCM solidifies before the desired time limit. Hence, the two-pass model has been chosen as the optimal structure of the PCM heat exchanger in both stages, absorbing the heat from the battery (PCM melting) and dissipating the stored heat to the environment (PCM solidification).
استاد راهنما :
محمدرضا سليم پور
استاد مشاور :
محسن ثقفيان
استاد داور :
محسن دوازده امامي، احمد سوهان كار
