شماره مدرك
21178
شماره راهنما
18153
پديد آورنده
مزروعي سبداني، بهزاد
عنوان
بررسي عددي انتقال حرارت در يك مبدل حرارتي مارپيچ در فرآيند پيش سرد كردن گاز هيدروژن در ايستگاه هاي سوخت رساني هيدروژن
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
هفده، 123ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
هيدروژن , ايستگاه سوخترساني , مبدل حرارتي مارپيچي , شبيهسازي عددي , نرم افزار كامسول
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/29
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/30
كد ايرانداك
23238524
چكيده فارسي
با گسترش روزافزون بهرهگيري از هيدروژن بهعنوان يكي از حاملهاي اصلي انرژي پاك و توسعه ايستگاههاي سوخترساني سريع، كنترل افزايش دماي هيدروژن در فرآيند سوختگيري به يكي از چالشهاي اساسي اين سامانهها تبديل شده است. افزايش دماي گاز در اثر تراكم آدياباتيك و پديده ژول-تامسون معكوس ميتواند موجب افزايش دماي مخزن، كاهش جرم قابل ذخيرهسازي و بروز مخاطرات ايمني گردد. ازاينرو، طراحي و بهينهسازي مبدلهاي حرارتي پيشسردكن، نقش مهمي در تضمين عملكرد ايمن و كارآمد سامانههاي سوخترساني هيدروژن ايفا ميكند. در اين پژوهش، عملكرد ترموهيدروليكي يك مبدل حرارتي دولولهاي مارپيچي بهعنوان واحد پيشسردكن هيدروژن در فشار كاري 35 مگاپاسكال، بهصورت سهبعدي و با استفاده از نرمافزار COMSOL Multiphysics مورد بررسي عددي قرار گرفت. مدلسازي بر پايه حل كوپل معادلات انتقال حرارت مزدوج (CHT) انجام شد و براي شبيهسازي جريان آشفته، مدل آشفتگي انتقال تنش برشي k-ω SST به كار گرفته شد. همچنين، بهمنظور افزايش دقت پيشبيني در فشارهاي بالا، خواص ترموفيزيكي هيدروژن بر اساس مدل گاز حقيقي و با استفاده از دادههاي وابسته به دما و فشار پايگاه داده NIST در مدل اعمال گرديد. اعتبار مدل عددي نيز از طريق مقايسه با نتايج مرجع مورد تأييد قرار گرفت. تحليل پارامتري جامع اين پژوهش بر روي سه پارامتر هندسي اصلي شامل تعداد دور مارپيچ (5، 10، 15 و 20 دور)، گام مارپيچ (07/0، 09/0، 11/0 و 13/0 متر) و نسبت انحنا انجام شد. بررسي اثر تعداد دور نشان داد كه هيدروژن پس از عبور از حدود سه دور ابتدايي، به شرايط نزديك به تعادل حرارتي با اتيلن گليكول در دماي 15/233 كلوين ميرسد و افزايش تعداد دور بيش از 5، تأثير محسوسي بر كاهش بيشتر دماي خروجي ندارد؛ ازاينرو، پيكربندي 5 دور بهعنوان طول بهينه مبدل انتخاب گرديد. همچنين، نتايج بررسي اثر گام مارپيچ نشان داد كه كاهش گام به 07/0متر، نه تنها به دليل انحناي ملايمتر، كمترين مقاومت هيدروليكي و افت فشار را به سيستم تحميل ميكند بلكه با ايجاد شرايط مطلوب حرارتي، سريعترين نرخ خنكسازي را نيز ارائه ميدهد. اثر نسبت انحنا در دو مرحله مجزا مورد ارزيابي قرار گرفت. در مرحله نخست (02/0، 026/0، 04/0 و 08/0)، با ثابت نگه داشتن قطر داخلي لوله هيدروژن و تغيير قطر كلي مارپيچ، مشخص شد كه نسبت انحناي 08/0 با كاهش طول مورد نياز براي دستيابي به دماي هدف، مناسبترين موازنه ميان انتقال حرارت و افت فشار را ايجاد ميكند. در مرحله دوم (05/0، 08/0، 11/0 و 14/0)، با ثابت نگه داشتن قطر كلي مارپيچ و تغيير قطر داخلي لوله هيدروژن، نتايج نشان داد كه افزايش نسبت انحنا از 05/0 به 14/0 موجب كاهش 7/85 درصدي افت فشار كل، از 07/0 مگاپاسكال به 01/0 مگاپاسكال، ميشود. بر اساس مقايسه همزمان توزيع دما و افت فشار، نسبت انحناي 14/0 بهعنوان حالت بهينه نهايي انتخاب گرديد. اين حالت نه تنها بيشترين سرعت خنكسازي (دستيابي به دماي هدف در كوتاهترين طول ممكن) را فراهم ميكند، بلكه كمترين افت فشار را نيز به سيستم تحميل مينمايد. در نهايت، نتايج اين پژوهش نشان داد كه پيكربندي شامل 5 دور مارپيچ، گام 07/0 متر و نسبت انحناي 14/0، مناسبترين موازنه ميان عملكرد حرارتي و افت فشار را فراهم ميكند. همچنين، لحاظكردن رفتار گاز حقيقي هيدروژن در فشارهاي بالا، براي پيشبيني صحيح انتقال حرارت و افت فشار و دستيابي به طراحي قابل اعتماد پيشسردكنهاي هيدروژن، امري ضروري است و صرفنظر از آن ميتواند به خطاهاي قابل توجه در طراحي منجر شود.
چكيده انگليسي
With the increasing use of hydrogen as a clean fuel in transportation systems, the development of safe and efficient hydrogen refueling infrastructure has become increasingly important. A major challenge in fast hydrogen refueling is the temperature rise caused by adiabatic compression and the inverse Joule–Thomson effect, which can increase tank temperature, reduce storage capacity, and create safety concerns. Therefore, efficient precooling systems are essential to ensure safe and reliable refueling operations. In this study, the thermo-hydraulic performance of a helical double-pipe heat exchanger used as a hydrogen precooler at an operating pressure of 35 MPa was numerically investigated using COMSOL Multiphysics. A three-dimensional conjugate heat transfer (CHT) model was developed, and turbulent flow was simulated using the SST k–ω turbulence model. To improve prediction accuracy under high-pressure conditions, the thermophysical properties of hydrogen were modeled using temperature- and pressure-dependent real-gas data obtained from the NIST database. The numerical model was validated against reference results. A parametric study was performed to evaluate the effects of the number of coil turns, helix pitch, and curvature ratio. The results showed that hydrogen approached thermal equilibrium with ethylene glycol at 233.15 K after approximately three turns, while increasing the number of turns beyond five had little effect on further reducing the outlet temperature. A helix pitch of 0.07 m provided the lowest pressure drop and the fastest cooling rate. The effect of curvature ratio was examined using two different approaches, and a curvature ratio of 0.14 was identified as the final optimal value. Moreover, increasing the curvature ratio from 0.05 to 0.14 reduced the total pressure drop by 85.7%. Overall, the configuration consisting of five coil turns, a helix pitch of 0.07 m, and a curvature ratio of 0.14 provided the best balance between thermal performance and pressure loss. The findings also demonstrated that incorporating the real-gas behavior of hydrogen is essential for accurate prediction of heat transfer and pressure drop characteristics in hydrogen precooling systems.
استاد راهنما
محمدرضا توكلي نژاد
استاد داور
محسن ثقفيان , علي انصاري