بررسی انتقال حرارت تغییر فاز مزدوجِ جامد-مایع در چاه حرارتی پر شده با ماده تغییرفازدهنده-فوم فلزی

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: بررسی انتقال حرارت تغییر فاز مزدوجِ جامد-مایع در چاه حرارتی پر شده با ماده تغییرفازدهنده-فوم فلزی

ارائه دهنده: Provider: راضیه حسن زهرائی - مهندسی مکانیک

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر حبیب اله سایه‌وند

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر رامین کوهی کمالی و دکتر ابراهیم افشاری

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 10 - 1405/7/18

مکان ارائه: Place of presentation: آمفی تئاتر

چکیده: Abstract: یکپارچه‌سازی و فشردگی اجزاء در سامانه‌های الکترونیکی، سبب تشدید تولید گرما، افزایش قابل توجه دمای کاری و کاهش عملکرد آن‌ها می‌شود. چاه‌های حرارتی مبتنی بر PCM با جذب گرما و ذخیره‌سازی آن هنگام تغییر فاز، افزایش دمای این سامانه‌ها را به‌نحو مؤثری کنترل می‌کنند. پایداری حرارتی و شیمیایی، دمای ذوب پایین و مقاومت در برابر خوردگی از عوامل مهم در گسترش کاربرد PCMها در مدیریت و ذخیره‌سازی انرژی به شمار می‌روند. در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی و باتری‌ها، تغییرات توان، جریان و شرایط بارگذاری متغیر، موجب ایجاد شارهای حرارتی گذرا و پالسی می‌شوند. در باتری‌ها، PCM با جذب گرمای ناشی از پیک‌های شار حرارتی، به‌عنوان یک بافر حرارتی، افزایش دمای باتری را محدود کرده و عملکرد، ایمنی و طول عمر آن را بهبود می‌بخشد. در این فرایند PCM با ذخیره‌سازی گرما در طول پالس شار حرارتی، ذوب شده و پس از کاهش شار با انتقال گرما به محیط مجدداً منجمد می‌شود. با وجود ظرفیت بالای PCMها برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی، هدایت حرارتی پایین آن‌ها سرعت انتقال گرما را محدود می‌کند و مانع از پاسخ سریع چاه حرارتی به بارهای حرارتی متغیر می‌شود. ازاین‌رو استفاده از تقویت‌کننده‌های هدایت حرارتی برای بهبود انتقال گرما و جلوگیری از افزایش بیش از حد دما ضروری است. تقویت‌کننده‌ها را می‌توان به دو دسته کلی شامل ذرات رسانای پراکنده و اجزای جامد جاسازی‌شده مانند پره‌ها، صفحات فلزی، توری‌ها، میکروکانال‌ها و فوم‌های فلزی تقسیم کرد. در این رساله، عملکرد چاه حرارتی حلقوی پرشده با PCM پیرامون یک باتری، با به‌کارگیری فوم فلزی، آرایش‌های مختلف پره‌ها و ساختارهای ترکیبی فوم-پره تحت بارگذاری پالسی، به‌صورت جامع و نظام‌مند بررسی شده و میزان بهبود عملکرد پیکربندی‌های حاصل از به‌کارگیری این تقویت‌کننده‌ها تحلیل و مقایسه می‌شود. پیکربندی‌های مدل‌سازی‌شده شامل چاه حرارتی باPCM خالص به‌عنوان مدل پایه، پیکربندی‌های تقویت‌شده با فوم فلزی، پره‌های فلزی با سه چیدمان مختلف داخلی، خارجی و ترکیبی (داخلی و خارجی) و همچنین ترکیب فوم و پره‌های فلزی با چیدمان‌های فوق است. در این چارچوب، توانایی چاه حرارتی در کنترل افزایش اولیه دمای سطح باتری پس از اعمال هر پالس حرارتی و همچنین روند افزایش دمای سطح باتری در طول پالس و بیشینه دمای آن در پایان پالس بررسی می‌شود. علاوه بر این، با تحلیل رفتار گذرای PCM طی فرآیندهای متوالی ذوب و انجماد و بررسی سهم هدایت حرارتی و همرفت طبیعی در انتقال حرارتِ ناحیه مذاب، تأثیر همرفت طبیعی بر عملکرد پیکربندی‌های مختلف مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. برای شبیه‌سازی عددی جریان سیال و انتقال حرارت همراه با تغییر فاز، معادلات پیوستگی، اندازه حرکت و انرژی به‌صورت همزمان و با در نظر گرفتن اثرات همرفت طبیعی، با استفاده از نرم‌افزار کامسول مالتی‌فیزیک حل شدند. فرایند تغییر فاز با استفاده از رویکرد انتالپی-تخلخل، بر روی یک شبکه محاسباتی ثابت و با تغییر پیوسته حالت فازی PCM و همچنین محیط متخلخل فوم فلزی با استفاده از فرمول بسط‌یافته دارسی–برینکمن مدل‌سازی شدند. پس از شبکه‌بندی هر یک از پیکربندی‌های چاه حرارتی، استقلال نتایج از اندازه شبکه و گام زمانی کنترل گردید. همچنین جهت اعتبارسنجی روش عددی و اطمینان از دقت نتایج، مقایسه‌های متعددی با داده‌های تجربی و عددی گزارش‌شده در مطالعات پیشین انجام شد که در تمامی موارد همخوانی بسار خوبی حاصل گردید. رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی PCMدر طول فرایندهای ذوب و انجماد با استفاده از کانتورهای دما، کسر ذوب و خطوط جریان بررسی شده و جهت انجام تحلیل تطبیقی، شاخص‌های عملکرد چاه حرارتی شامل تغییرات زمانی میانگین دمای سطح باتری، کسر حجمی مذاب و کارایی چاه به‌صورت نموداری ارائه گردید. برای ارزیابی و مقایسه کمی عملکرد چاه‌های حرارتی تقویت‌شده، مقادیر کلیدی و بحرانی شاخص‌های عملکرد چاه و بازه‌های زمانی مرتبط با آن‌ها در جداول ارائه شد. بررسی سازوکارهای انتقال حرارت نشان داد که فوم فلزی با ایجاد مسیرهای هدایتی متعدد، توزیع دمای یکنواخت‌تری در ناحیه مذاب ایجاد می‌کند؛ پره‌های داخلی با افزایش سطح انتقال حرارت، بهره‌گیری مؤثرتر از ظرفیت نهان PCM برای کنترل دمای سطح باتری را ممکن می‌سازند و پره‌های خارجی با افزایش انتقال گرما به محیط، میزان تغییر فاز PCM و مدت‌زمان فرایند انجماد را کاهش می‌دهند. همرفت طبیعی در PCM مذاب تحت تأثیر رقابتِ نیروی شناوری (ناشی از گرمای سطح باتری) و نیروهای مقاوم لزجی، برشی و دارسی (در محیط متخلخل) شکل می‌گیرد. نتایج نشان دادند که با غالب شدن همرفت طبیعی بر هدایت حرارتی، انتقال گرما در چاه حرارتی به حالت پایدار رسیده و دمای سطح باتری پس از رسیدن به مقدار بیشینه تا پایان پالس تقریباً ثابت می‌ماند. این رفتار در چاه‌های حرارتی PCM خالص و PCM-فوم فلزی مشاهده شد، با این تفاوت که بیشینه دمای تثبیت‌شده در چاه حرارتی PCM-فوم فلزی 9٫7 کلوین و مدت زمان ماندگاری آن 160 ثانیه کمتر است. دمای سطح باتری در دو چاه حرارتی با فوم فلزی و پره‌های ترکیبی در بیش از نیمی از مدت زمان اعمال پالس، تغییرات مشابهی دارد. پس از آن، تقویت سریع‌تر همرفت طبیعی در چاه با پره‌های ترکیبی به‌دلیل نبود محدودیت‌های ساختار متخلخل، نرخ افزایش دما را کاهش داد؛ به‌طوری‌که بیشینه دما در پایان زمان پالس به 351٫8 کلوین رسید. در مقابل، دمای سطح باتری در چاه حرارتی با فوم فلزی ۲٫۳ کلوین بیشتر افزایش یافت و برخلاف چاه با پره‌های ترکیبی، پیش از اتمام پالس، به مدت ۱۹۰ ثانیه در این دما ثابت ماند. مقایسه دو چاه حرارتی با پره‌های داخلی و پره‌های ترکیبی نشان داد که با وجود شدت بیشتر همرفت طبیعی در چاه حرارتی با پره‌های ترکیبی، بیشینه دمای سطح باتری در چاه حرارتی با پره‌های داخلی 5٫1 کلوین کمتر است که بیانگر نقش مؤثرتر افزایش تعداد پره‌های داخلی نسبت به تقویت همرفت طبیعی در کاهش دمای سطح باتری است. در چاه‌های حرارتی PCM خالص و PCM-پره‌های خارجی نیز با وجود شکل‌گیری همرفت طبیعی در PCM مذاب، نبود مسیرهای رسانای مؤثر مانند فوم فلزی یا پره‌های داخلی موجب شد که در لحظات اولیه اعمال پالس و پیش از تقویت این سازوکار، انتقال سریع گرما از سطح باتری محدود شده و تجمع حرارت منجر به ذوب سریع PCM و وقوع پیک دمایی بیش از ۳۶۶ کلوین در ابتدای پالس گردد. پره‌های خارجی تنها در ترکیب با فوم فلزی می‌توانند از ایجاد پیک دمایی اولیه جلوگیری ‌کنند. در این ساختار، افزایش سهم انتقال مستقیم حرارت از سطح باتری به محیط، موجب می‌شود بیشینه کسر حجمی مذاب PCM به حداقل برسد. همرفت طبیعی در ساختارهای ترکیبی فوم-پره، به دلیل غلبه‌ هدایت حرارتی، سهم ناچیزی در فرایند انتقال حرارت دارد. ارزیابی نهایی نشان می‌دهد که در میان چاه‌های حرارتی مجهز به یک تقویت‌کننده، چاه حرارتی با پره‌های داخلی با محدود کردن بیشینه دمای سطح باتری به 346٫7 کلوین، مؤثرترین عملکرد را در کنترل دمای باتری در طول اعمال پالس‌ حرارتی دارد، هرچند بازگشت به فاز جامد در این ساختار 2380 ثانیه طول می‌کشد. سریع‌ترین نرخ انجماد مربوط به چاه حرارتی با فوم فلزی است که زمان انجماد آن ۱۳۲۰ ثانیه است؛ در این پیکربندی دمای سطح باتری به مدت ۱۹۰ ثانیه، در دمایی ۷٫۴ کلوین بالاتر از بیشینه دمای چاه حرارتی با پره‌های داخلی، ثابت می‌ماند. کوتاه بودن زمان بازگشت به فاز جامد و توقف افزایش دمای سطح باتری پیش از قطع پالس، این چاه را برای فرایندهای دشارژ طولانی‌تر و شارژ کوتاه‌تر مناسب می‌سازد. در میان چاه‌های حرارتی مجهز به دو تقویت‌کننده، چاه حرارتی ترکیبی با فوم فلزی و پره‌های داخلی، با کاهش قابل‌توجه بیشینه دمای سطح باتری به 336٫2 کلوین، مدت زمان فرایند انجماد PCM را نیز به‌طور چشمگیری کاهش داده و به ۵۰۰ ثانیه می‌رساند. بررسی تأثیر طول پره‌ها در این پیکربندی حاکی از آن است که افزایش طول پره‌ها به‌طور کلی با بهبود عملکرد سیستم همراه است، اما این بهبود لزومأ به‌صورت خطی و هم‌مرتبه با افزایش طول پره‌ها نیست.

فایل: ّFile: دانلود فایل