مطالعه عددی و بهینه سازی یک مبادله‌کن گرمایی برپایه مواد تغییر فاز دهنده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

3 دانشجوی دکتری، پردیس دانشگاهی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

در این مطالعه، فرایندهای ذوب و انجماد در طول زمان در یک واحد ذخیره‌ انرژی گرمایی نهان با استفاده از یک مبادله‌کن گرمایی صفحه‌ای مبتنی بر مواد تغییرفازدهندة پارافینی بررسی شده است. این تحلیل عددی به‌صورت دوبعدی، در شرایط جریان لایه‌ای و ناپایا با استفاده از روش حجم محدود انجام گرفته است. در ابتدا چهار حالت زاویه اریب 30،15، 45 و 60 درجه برای فرایند ذوب با دماهای ورودی مختلف سیال انتقال گرما(50 ،60 و 70 درجه سلسیوس) و برای فرایند انجماد با دماهای ورودی مختلف سیال انتقال گرما (5، 10و 15 درجه سلسیوس) بررسی و صحت سنجی شده است. نتایج نشان می‌دهند که زاویه اریب 60 درجه، عملکرد بهینه تری نسبت به سایر زوایای اریب در دو فرایند ذوب و انجماد نشان می‌دهد و همچنین در فرایند ذوب دمای بالاتر و در فرایند انجماد دمای پایین تر سیال انتقال گرما، عملکرد مطلوب تری را دارا هستند. نوآوری این تحقیق شامل استفاده از زوایای متفاوت اریب در طراحی صفحات مبادله‌کن گرمایی  به همراه بهره‌گیری از چندین ماده تغییرفازدهنده متفاوت در یک واحد ذخیره‌سازی انرژی، برای یک مبادله‌کن گرمایی صفحه ای است. هدف تحقیق حاضر این است که با ایجاد تغییراتی در هندسه مبادله‌کن گرمایی و استفاده از مواد تغییر فاز دهنده، بتوان آهنگ انتقال گرما و بازده گرمایی ان را افزایش و بهینه نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


]۱[ حدیدی, امین, راستکار ابراهیم‌زاده, فراز, یاری دریامان, مرتضی. بررسی اثر دبی سیال بر عملکرد حرارتی و الکتریکی سامانه آب‌شیرین‌کن فوتوولتاییک–حرارتی مجهز به ذخیره‌ساز انرژی هوای فشرده در دو اقلیم ساحلی ایران. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 1404; (): -. doi: 10.22034/jmeut.2026.65654.3518
[2] Mat S, Al-Abidi AA, Sopian K, Sulaiman MY, Mohammad AT. Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal–external fins. Energy conversion and management. 2013 Oct 1;74:223-36.
]۳[ ویدا آزادیخواه , نادر پورمحمود حصار و ایرج میرزایی, "شبیه‌سازی فرایندهای انجماد و ذوب برای کاربرد در سیستم‌های ذخیره انرژی نهان," مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز, 55 1 (1403): 11-20, doi: 10.22034/jmeut.2024.62037.3425
[4] Agyenim F, Hewitt N, Eames P, Smyth M. A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable and sustainable energy reviews. 2010 Feb 1;14(2):615-28.
[5] Shukla A, Buddhi D, Sawhney RL. Solar water heaters with phase change material thermal energy storage medium: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009 Oct 1;13(8):2119-25.
[6] Zalba B, Marı́n JM, Cabeza LF, Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Applied thermal engineering. 2003 Feb 1;23(3):251-83.
[7] Mhadhbi M. Introductory chapter: Phase change material. Phase Change Materials and Their Applications. 2018 Aug 1:1-6.
[8] Annadurai G, Mathews AJ, Krishnan EN, Simonson CJ. A review of experimental methods to determine bioaerosol transfer in energy recovery ventilators. Applied Thermal Engineering. 2024 Mar 1;240:122322.
[9] Zhu J, Zhang W. Optimization design of plate heat exchangers (PHE) for geothermal district heating systems. Geothermics. 2004 Jun 1;33(3):337-47.
[10] Arsenyeva O, Tovazhnyanskyy L, Kapustenko P, Klemeš JJ, Varbanov PS. Review of developments in plate heat exchanger heat transfer enhancement for single-phase applications in process industries. Energies. 2023 Jun 27;16(13):4976.
[11] Raj VA, Velraj R. Heat transfer and pressure drop studies on a PCM-heat exchanger module for free cooling applications. International Journal of Thermal Sciences. 2011 Aug 1;50(8):1573-82.
[12] Tiari S, Qiu S, Mahdavi M. Numerical study of finned heat pipe-assisted thermal energy storage system with high temperature phase change material. Energy Conversion and Management. 2015 Jan 1;89:833-42.
[13] Stathopoulos N, El Mankibi M, Issoglio R, Michel P, Haghighat F. Air–PCM heat exchanger for peak load management: Experimental and simulation. Solar Energy. 2016 Jul 1;132:453-66.
[14] Prieto MM, González B, Granado E. Thermal performance of a heating system working with a PCM plate heat exchanger and comparison with a water tank. Energy and Buildings. 2016 Jun 15;122:89-97.
[15] Chow TT, Lyu Y. Numerical analysis on the advantage of using PCM heat exchanger in liquid-flow window. Applied Thermal Engineering. 2017 Oct 1;125:1218-27.
[16] Wang Y, Wang L, Xie N, Lin X, Chen H. Experimental study on the melting and solidification behavior of erythritol in a vertical shell-and-tube latent heat thermal storage unit. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016 Aug 1;99:770-81.
[17] Elarem R, Mellouli S, Abhilash E, Jemni A. Performance analysis of a household refrigerator integrating a PCM heat exchanger. Applied Thermal Engineering. 2017;.33-125:1320
[18] Hu Y, Heiselberg PK. A new ventilated window with PCM heat exchanger—Performance analysis and design optimization. Energy and Buildings. 2018 Jun 15;169:185-94.
[19] Youssef W, Ge YT, Tassou SA. CFD modelling development and experimental validation of a phase change material (PCM) heat exchanger with spiral-wired tubes. Energy Conversion and Management. .510-157:498;2018
[20] Gholamibozanjani G, Farid M. Experimental and mathematical modeling of an air-PCM heat exchanger operating under static and dynamic loads. Energy and Buildings. 2019 Nov 1;202:109354.
[21] Palomba V, Brancato V, Frazzica A. Thermal performance of a latent thermal energy storage for exploitation of renewables and waste heat: An experimental investigation based on an asymmetric plate heat exchanger. Energy Conversion and Management. 2019 Nov 15;200:112121.
]۲۲[ یوسفی شبانکاره تیره, میرجلیلی, سید علی آقا, علومی, سید امیرعباس, سلیم پور. مطالعه تجربی اثر افت فشار و انتقال حرارت چگالشی مبرد R-406a در لوله‌های مجهز به پره‌های دورپیچ در گام‌ها و طول‌های مختلف. مکانیک هوافضا. 2023 Apr 9;19(1):93-106.‎
]۲۳[ رستمی محسن, فرج الهی امیرحمزه, قنبری مرتضی, نادری علی اصغر. شبیه سازی عددی اثر هندسه استفاده از لوله پره دار در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله.‎مکانیک هوافضا.2022: 53-76
]۲۴[ گودرزی امیر. "آنالیز اگزرژی مبدل حرارتی فشرده گاز به مایع با کاربری خنک کن میانی در شرایط کاری مختلف. مکانیک هوافضا " 2020: 85-98.‎
]۲۵[ طرفی. ) یادداشت مهندسی) تأثیر طول لوله‌های انتقالی بر عملکرد سامانه بازیافت حرارت جریان-گردشی. مکانیک هوافضا. 2014 Jun 22;10(2).‎
[26] Gürel B. A numerical investigation of the melting heat transfer characteristics of phase change materials in different plate heat exchanger (latent heat thermal energy storage) systems. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020 Feb 1;148:119117.
[27] Kruzel M, Bohdal T, Dutkowski K, Radchenko M. The effect of microencapsulated PCM slurry coolant on the efficiency of a shell and tube heat exchanger. Energies. 2022 Jul 15;15(14):5142.
[28] Li Q, Liu S, Sun X, Shen L, Cheng B, Xing H, Lin M. Numerical simulation of rapid heat storage in plate-fin phase change heat exchanger. In Journal of Physics: Conference Series 2024 May 1 (Vol. 2755, No. 1, p. 012039). IOP Publishing.
[29] Nagireddy PD, Shankar Vikas M, Sudi VS. Numerical Investigation of Phase-Changing Material Filled Shell and Tube Heat Exchanger with Fins. InInternational Conference on Mechanical Engineering: Researches and Evolutionary Challenges 2023 Jun 23 (pp. 651-660). Singapore: Springer Nature Singapore.
[30] Ait Adine H, El Qarnia H. Numerical analysis of the thermal behaviour of a shell-and-tube heat storage unit using phase change materials. Applied mathematical modelling. 2009 Apr 1;33(4):2132-44.
[31] Wang WW, Zhang K, Wang LB, He YL. Numerical study of the heat charging and discharging characteristics of a shell-and-tube phase change heat storage unit. Applied Thermal Engineering. 2013 Sep 1;58(1-2):542-53.
[32] Agarwal A, Sarviya RM. An experimental investigation of shell and tube latent heat storage for solar dryer using paraffin wax as heat storage material. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016 Mar 1;19(1):619-31.
[33] Kibria MA, Anisur MR, Mahfuz MH, Saidur R, Metselaar IH. Numerical and experimental investigation of heat transfer in a shell and tube thermal energy storage system. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2014 Apr 1;53:71-8.
[34] Fath HE. Heat exchanger performance for latent heat thermal energy storage system. Energy Conversion and Management. 1991 Jan 1;31(2):149-55.
[35] Gong ZX, Mujumdar AS. Finite-element analysis of cyclic heat transfer in a shell-and-tube latent heat energy storage exchanger. Applied thermal engineering. 1997 Jun 1;17(6):583-91.
[36] Esen M, Durmuş A, Durmuş A. Geometric design of solar-aided latent heat store depending on various parameters and phase change materials. Solar energy. 1998 Jan 1;62(1):19-28.
[37] Akgün M, Aydın O, Kaygusuz K. Experimental study on melting/solidification characteristics of a paraffin as PCM. Energy conversion and management. 2007 Feb 1;48(2):669-78.
[38] Sari A, Kaygusuz K. Thermal performance of a eutectic mixture of lauric and stearic acids as PCM encapsulated in the annulus of two concentric pipes. Solar Energy. 2002 Jun 1;72(6):493-504.