توصيفگر ها :
نانوكامپوزيت‌هاي موادتغييرفازدهنده , مواد نانوساختار , رسانايي گرمايي , عملكرد گرمايي , چاه گرمايي , مديريت دمايي
چكيده فارسي :
چكيده
امروزه به دليل تقاضاي بالاي انرژي، روش‌هاي ذخيره‌سازي و بهينه‌سازي انرژي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. انرژي گرمايي يكي از مهم‌ترين انواع انرژي است كه در بسياري از صنايع اهميت دارد. روش‌هاي ذخيرۀ انرژي گرمايي به سه دستۀ ذخيرۀ انرژي گرماي محسوس، ذخيرۀ انرژي گرماي نهان و ذخيرۀ انرژي گرماي شيميايي تقسيم‌بندي مي‌شوند. ذخيرۀ انرژي گرماي نهان به دليل چگالي انرژي بالا، دماي ثابت در طول فرآيند تغيير فاز و امكان ذخيرۀ انرژي در دماي پايين نسبت به ساير روش‌ها كاربرد گسترده‌تري پيدا كرده است. مواد تغييرفازدهنده (PCM) در صنايع مختلف، براي ذخيرۀ انرژي گرماي نهان استفاده مي‌شوند. اسيدهاي چرب به دليل خواص منحصربه‌فردي همچون دماي تغيير فاز قابل‌تنظيم، چگالي انرژي بالا، خواص گرمايي مطلوب، ثبات شيميايي و هزينۀ مناسب به عنوان يكي از محبوب‌ترين مواد تغييرفازدهنده به شمار مي‌روند. با وجود مزاياي فراوان اين نوع از مواد تغييرفازدهنده، اين مواد از رسانايي گرمايي پايين رنج مي‌برند. يكي از روش‌هاي افزايش رسانايي گرمايي در PCMs، افزودن مواد نانوساختار با رسانايي گرمايي بالا به آنها و تهيۀ نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده است. در پژوهش حاضر، ابتدا نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، با افزودن مواد نانوساختار گرافيت، نانو لوله‌هاي كربني چند جداره (MWCNTs)، سيليكا (SiO2) و تيتانيا (TiO2) با كسر وزني 5/0 و 1 درصد به لاريك اسيد خالص تهيه شده و پايداري ظاهري و خواص گرمايي آنها با لاريك اسيد خالص مقايسه شد. در مرحلۀ دوم، به‌منظور پايدارسازي مواد نانوساختار درون ماتريس PCM، عوامل سطحي SDS و SDBS در نسبت‌هاي مختلف به نانوكامپوزيت افزوده شده و خواص گرمايي و پايداري نمونه‌ها به طور كامل مورد بررسي و تحليل قرار گرفت. در مرحلۀ آخر عملكرد نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده در خنك‌سازي و مديريت دمايي برد الكترونيكي شبيه‌سازي شده با صفحۀ داغ با استفاده از چاه گرمايي حاوي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، ارزيابي شد. در ارزيابي اوليه و بررسي پايداري ظاهري نمونه‌ها، نتايج نشان داد، براي هيچ يك از نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده با نانوذرات TiO2 با و بدون حضور عوامل سطحي پايداري حاصل نشد. براي نمونه‌هاي داراي پايداري ظاهري، آناليزهاي ديگري مانند بررسي آناليز FTIR، آناليزهاي DSC قبل و بعد از 100 چرخۀ گرمايش - سرمايش، بررسي عملكرد انتقال گرما با زمان، بررسي رسانايي گرمايي و بررسي عملكرد خنك‌كنندگي و مديريت دمايي برد الكترونيكي با استفاده از چاه گرمايي حاوي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده انجام و نتايج حاصل از آن با يكديگر مقايسه شد. نتايج به‌دست‌آمده از آناليز FTIR عدم وجود پيوند شيميايي ميان اجزاي سازندۀ نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده را تأييد كرد. نتايج حاصل از آناليز DSC قبل از چرخه‌هاي گرمايي، كاهش گرماي نهان ذوب نمونه‌هاي تهيه شده با مواد نانوساختار گرافيت و MWCNTs و افزايش گرماي نهان ذوب نمونه‌هاي تهيه شده با نانوذرات SiO2 را نسبت به PCM خالص نشان داد. همچنين پايداري گرمايي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، بعد از 100 چرخۀ گرمايي نسبت به نمونۀ خالص كاهش يافت؛ اما درصد كاهش گرماي نهان ذوب نمونه‌ها تقريباً كمتر از 8 درصد بود. نتايج به‌دست‌آمده از آزمايش بررسي عملكرد انتقال گرماي نمونه‌ها، نشان داد كه سرعت انتقال گرما براي تمامي نانوكامپوزيت‌هاي مواد تغييرفازدهنده، نسبت به لاريك اسيد خالص افزايش يافته و زمان رسيدن به نقطۀ ذوب و نيز طي كردن بازۀ تغيير فاز، كاهش يافته است. نتايج اين آزمايش‌ها با نتايج به‌دست‌آمده از اندازه‌گيري رسانايي گرمايي نانوكامپوزيت‌ها مطابقت داشت. همچنين سه نمونۀ حاوي 1 درصد وزني گرافيت با حضور SDS، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني MWCNTs با حضور SDBS و نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني گرافيت با حضور SDS، توانستند رسانايي گرمايي PCM خالص را به ترتيب به ميزان 5/79، 6/38 و 9/25 درصد افزايش دهند. به دليل افزايش سرعت انتقال گرما در نمونه‌هاي نانوكامپوزيتي مواد تغييرفازدهنده نسبت به لاريك اسيد خالص و كاهش بازه‌هاي ذوب در آنها، زمان رسيدن به دماي بحراني برد الكترونيكي در آزمون عملكرد خنك‌كنندگي و مديريت دمايي برد الكترونيكي براي توان 6 وات، به ترتيب براي نمونۀ لاريك اسيد خالص با 33 دقيقه، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني MWCNTs با حضور SDBS با 30 دقيقه، نمونۀ حاوي 5/0 درصد وزني گرافيت با حضور SDS با 29 دقيقه و نمونۀ حاوي 1 درصد وزني گرافيت با حضور SDS با 27 دقيقه به دست آمد. به اين ترتيب بهترين عملكرد با توجه به سازگاري بهتر مواد نانوساختار گرافيت با ماتريس PCM، مربوط به نانوكامپوزيت‌هاي تهيه شده با اين مواد نانوساختار است.
چكيده انگليسي :
Abstract
Due to the high demand for energy, energy storage and optimization methods have gained significant attention. Thermal energy is one of the most important types of energy with widespread applications in various industries. Thermal energy storage methods can be categorized into three groups: sensible heat storage, latent heat storage, and chemical heat storage. Latent heat storage has found broader applications due to its high energy density, constant temperature during the phase change process, and the ability to store energy at low temperatures compared to other methods. Phase change materials (PCMs) are used in various industries for latent heat storage. Fatty acids, with their unique properties such as tunable phase change temperature, high energy density, favorable thermal properties, chemical stability, and reasonable cost, are considered one of the most popular phase change materials. Despite the numerous advantages of this type of PCM, these materials suffer from low thermal conductivity. One of the methods to increase thermal conductivity in PCMs is to add high thermal conductivity nanomaterials to them and prepare PCM nanocomposites. In this research, PCM nanocomposites were first prepared by adding graphite, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), silica (SiO2), and titania (TiO2) nanomaterials with weight fractions of 0.5% and 1% to pure lauric acid. The apparent stability and thermal properties of these nanocomposites were compared with pure lauric acid. In the second stage, to stabilize the nanomaterials within the PCM matrix, SDS and SDBS surfactants were added to the nanocomposite in different ratios, and the thermal properties and stability of the samples were fully investigated and analyzed. In the final stage, the performance of PCM nanocomposites in cooling and thermal management of a simulated electronic board with a hot plate using a heat sink containing PCM nanocomposites was evaluated. In the initial evaluation and investigation of the apparent stability of the samples, the results showed that no stability was achieved for any of the nanocomposites prepared with TiO2 nanoparticles with or without the presence of surfactants. For samples with apparent stability, other analyses such as FTIR analysis, DSC analysis before and after 100 heating-cooling cycles, investigation of heat transfer performance over time, investigation of thermal conductivity, and investigation of the cooling performance and thermal management of the electronic board using a heat sink containing PCM nanocomposites were performed and the obtained results were compared. The results obtained from FTIR analysis confirmed the absence of chemical bonding between the components of the prepared nanocomposites. The results obtained from DSC analysis before the thermal cycles showed a decrease in the latent heat of samples prepared with graphite and MWCNTs nanomaterials and an increase in the latent heat of samples prepared with SiO2 nanoparticles compared to the pure PCM. Also, the thermal stability of PCM nanocomposites decreased after 100 thermal cycles compared to the pure sample; however, the percentage decrease in the latent heat of fusion of the samples was less than 8%. The results obtained from the heat transfer performance test of the samples showed that the heat transfer rate for all PCM nanocomposites increased compared to pure lauric acid, and the time to reach the melting point and go through the phase change range decreased. The results of these tests were in agreement with the results obtained from the measurement of the thermal conductivity of the nanocomposites. Also, three samples containing 1 wt% graphite with SDS, a sample containing 0.5 wt% MWCNTs with SDBS, and a sample containing 0.5 wt% graphite with SDS were able to increase the thermal conductivity of pure PCM by 79.5%, 38.6%, and 25.9%, respectively.
