توصيفگر ها :
سيستم ذخيرهساز انرژي , مبدل حرارتي , مواد تغيير فاز دهنده , نانو ذره , جريان آشفته
چكيده فارسي :
هدف اين پژوهش، ارتقاي فرآيند ذوب مواد تغيير فازدهنده در يك مبدل حرارتي سهلولهاي مارپيچ است، بهگونهاي كه اين سامانه بتواند به عنوان يك واحد ذخيرهسازي انرژي حرارتي مطمئن و كارآمد مورد استفاده قرار گيرد و در عين حال با بهبود راندمان انتقال حرارت، امكان استفادهي گستردهتر از انرژيهاي تجديدپذير و مديريت بهينهي انرژي در كاربردهاي مختلف را فراهم سازد. اين سيستم با توجه به توانايي بالاي مواد تغيير فازدهنده در ذخيره و آزادسازي انرژي نهان، ميتواند نقش موثري در ارتقاي بازده انرژي و كاهش نوسانات عرضه و تقاضاي حرارت در كاربردهاي مهندسي ايفا كند. بهمنظور ارزيابي دقيق عملكرد، يك مدل عددي سهبعدي مبتني بر ديناميك سيالات محاسباتي در نرمافزار انسيس فلوئنت توسعه داده شد. شبيهسازي با استفاده از روش حجم محدود و مدلسازي انتقال حرارت در شرايط گذرا صورت گرفت و رفتار ذوب مواد تغيير فازدهنده با روش آنتالپي–تخلخل مورد تحليل قرار گرفت. پس از انجام فرآيند اعتبارسنجي، كه در آن نتايج عددي با دادههاي تجربي معتبر موجود در مراجع علمي مقايسه و تطابق مطلوب آنها تاييد شد، اثر پارامترهاي طراحي و عملياتي مختلف بر فرآيند ذوب بررسي گرديد. اين پارامترها شامل گام مارپيچ مبدل حرارتي، نحوهي جانمايي مواد تغيير فازدهنده درون لوله، سرعت و دماي ورودي سيال عامل و نيز افزودن نانوذرات اكسيد آلومينيوم و اكسيد مس در كسر حجميهاي مختلف بود. نتايج نشان داد كه جانمايي مواد تغيير فازدهنده مطابق پيكربنديدوم، فرآيند ذوب را تا 37.15% بهبود ميدهد. همچنين، افزايش دماي ورودي سيال عامل از 60 به 85 درجه سانتيگراد منجر به كاهش 53.33% در زمان كامل ذوب شد. در مقابل، تغيير گام مارپيچ و سرعت سيال ورودي اثر ناچيزي بر بهبود زمان ذوب داشتند. در گام پاياني، بهمنظور ارتقاي سرعت ذوب، افزودن نانوذرات اكسيد آلومينيوم و اكسيد مس به مواد تغيير فازدهنده در كسر حجميهاي 1%، 2% و 3% بررسي شد. شبيهسازيها نشان داد كه زمان ذوب براي نانوذرات اكسيد آلومينيوم به ترتيب 11.3%، 12.1% و 13% و براي نانو ذرات اكسيد مس به ترتيب 7.5%، 9.5% و10.8% نسبت به حالت بدون نانوذرهكاهش مييابد. نتايج اين پژوهش ميتواند به عنوان مرجع مناسبي در طراحي و بهينهسازي سامانههاي ذخيرهسازي انرژي حرارتي مبتني بر مواد تغيير فازدهنده در مبدلهاي مارپيچ چندلولهاي مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
The primary objective of this study is to enhance the melting performance of phase change materials (PCMs) within a three-tube spiral heat exchanger and to assess its potential as an efficient and reliable thermal energy storage (TES) system. Owing to their high capacity for storing and releasing latent heat, PCMs can play a significant role in improving energy efficiency and mitigating fluctuations in heat supply and demand across various engineering applications.
To accurately evaluate system performance, a three-dimensional numerical model based on computational fluid dynamics (CFD) was developed using ANSYS Fluent. The simulations employed the finite volume method with transient heat transfer modeling, while the melting behavior of PCMs was analyzed through the enthalpy–porosity method. A validation procedure was conducted by comparing the numerical results with reliable experimental data from the literature, confirming satisfactory agreement. Subsequently, the influence of several design and operational parameters on the melting process was investigated. These parameters included the spiral pitch of the heat exchanger, the positioning of PCMs within the middle tube, the inlet velocity and temperature of the working fluid, and the incorporation of alumina nanoparticles at different volume fractions.
The findings revealed that positioning the PCMs according to the second configuration enhanced the melting process by 37.5%. Furthermore, increasing the inlet temperature of the working fluid from 75 °C to 85 °C reduced the complete melting time by approximately 40%. In contrast, variations in spiral pitch and inlet fluid velocity had negligible impacts on melting enhancement. Finally, to accelerate the melting rate, alumina nanoparticles were added to the PCMs at volume fractions of 1%, 2%, and 3%. The results indicated reductions in melting time of 9.2%, 11%, and 12.3%, respectively.
Overall, the outcomes of this research provide valuable insights for the design and optimization of PCM-based thermal energy storage systems in multi-tube spiral heat exchangers