ذوب و انجماد

مواد تغییر فاز دهنده:

1576436_delta_cool1يكي ازانواع ذخيره انرژی، ذخيره انرژی حرارتی است كه می تواند فاصله ميان عرضه و تقاضای انرژی را كاهش دهد. انرژی حرارتی را به دو صورت، انرژی گرمایی محسوس و نهان می‌توان در مواد ذخیره نمود. در ذخیره انرژی محسوس، انرژی حرارتی با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می‌شود. میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می‌باشد. ذخیره انرژی گرمایی توسط جسم به صورت نهان به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز و یا جامد به جامد صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می‌کنند. همان طور که گفته شد ذخیره‌سازی گرما از سه طریق تغییر فاز صورت می‌گیرد، در حالت اول که تغییر فاز از جامد به جامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک می‌باشد مناسب 2qنیست. در حالت دوم یعنی تغییر فاز از مایع به گاز نیز به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا و همچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمی‌باشد. اما تغییر فاز از جامد به مایع مناسبterrafore_baseload1 تر است که این ویژگی در مواد تغییر فاز دهنده (PCMs) وجود دارد، که در دمای ثابت با جذب گرما از فاز جامد به مایع تبدیل می‌شوند. این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب می‌کنند، آزاد نیز می‌کنند. استفاده از سيستم هاي ذخيره سازی با گرمای نهان با استفاده از مواد تغيير فاز دهنده (PCMs) يك راه موثر براي ذخيره سازي انرژي حرارتي است و دارای مزيت‌هايی مانند چگالی بالای ذخيره سازی انرژی و طبيعت دما ثابت در طي فرآيند ذخيره سازی مي‌باشند. وجود مواد تغيير فاز دهنده مختلف با دامنه گسترده‌ای از دماهای ذوب و انجماد، آنها را براي استفاده در تعداد زيادی از كابردها، مناسب مي­سازد. مواد تغيير فاز دهنده به ­طور وسيعی در ذخيره‌سازی انرژی حرارتی با گرمایfig11-1 نهان برای كاربردهای مهندسی خورشيدی، پمپ‌های حرارتی، بازيافت اتلافات گرمايی، سرمايش و گرمايش ساختمان‌ها و شاتل‌های فضایی و همچنین کاربردهای فضایی دیگر به كار مي‌روند. اما عملكرد سيستمهای حرارتی با گرمای نهان به علت استفاده از مواد تغيير فاز دهنده‌ای با ضريب هدايت حرارتی پايين محدود شده بود. امروزه، با پیشرفت تکنولوژی و فراهم شدن امکان ساخت نانوذرات، امکان استفاده از نانوذرات در ساخت سیالات جدیدی موسوم به نانوسیالات فراهم شده است. نانوذرات با قطرهای متفاوتی در محدوده‏ای از ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر تولید می­ شوند. پخش پایدار نانوذرات در سیال پایه سبب ایجاد سیالی با خواص مکانیکی بهبود یافته می‌گردد. از آنجا که نانومواد تغییر فاز دهنده بسیار جدید هستند.

small_ball_of_micro_encapsulated_organic_phaseهمچنین، مواد تغییر فاز دهنده به صورت کپسول های در ابعاد میکرو و نانو می توانندMicro_PCM ساخته شوند که در ترکیب با مصالح ساختمانی، الیاف و منسوجات و یا دیگر ماکرو ساختارها قابل استفاده هستند.

مدلسازی تغییر فاز و انتقال حرارت در این مواد بسیار محدود می باشد. بنابراین، مدلسازی رفتار انتقال حرارت و ذوب مواد تغییر فاز دهنده به منظور استفاده و طراحی این نانومواد امری ضروری می باشد.

فعالیت ها در این زمینه

در فرآیند ذوب و انجماد از آنجا که با یک ناحیه جامد و یک ناحیه مایع درگیر هستیم. مدلسازی آن روش های مختلفی دارد. به صورت کلی دو دیدگاه اساسی برای مدلسازی پدیده ذوب می توان در نظر گرفت. در دیدگاه اول شبکه محاسباتی را ثابت (غیر متحرک) درنظر گرفته می شود. سپس، با استفاده از تعریف پارامتری به نام کسر حجمی مایع خواص را در محیط کنترل می شوند. زمانی که کسر حجمی یک باشد خواص مایع و زمانی که صفر باشد خواص ذوب خواهیم داشت. در این روش، از آنجا که در مرز تغییر فاز معادلات باید پیوسته باشند ناحیه ای نازک و فرضی به نام ناحیه خمیری تعریف می شود که در این ناحیه خواص بسته به کسر حجمی مایع در مقادیری میان مقادیر خواص مایع و خواص جامد تغییر می کنند. این روش بسیار واضح و ساده بوده و تقریبا به همه نوع مسایل و فیزیکی قابل اعمال است. در این روش با اینحال که شبکه محاسباتی ثابت است،ولی گرادیان تغییر فاز در ناحیه خمیری بالا بوده و گام های زمان محاسبات باید کوتاه برداشته شود و در نتیجه زمان محاسباتی روش نسبتا بالا است.  در حال حاضر آقای مهندس دوستانی دزفولی با این روش در حال شبیه سازی مسئله ذوب و انجماد نانوسیالات می باشد. هدف نهایی کار ایشان درنظر گرفتن توزیع نانوذرات در محیط در طی فرآیند ذوب و انجماد است.

روش دوم برای مدلسازی فرآیند ذوب و انجماد روش شبکه متحرک می باشد. در روش شبکه متحرک ناحیه مایع و ناحیه جامد به صورت دو شبکه تغیییر شکل دهنده (خمیری) مدلسازی شده که با گذشت زمان و بر اساس انتقال حرارت انجام شده شکل شبکه تغییر نموده و فرآیند تغییر فاز دنبال می شود. این روش بسیار دقیق بوده و زمان محاسباتی پایین نیاز دارد. ولی این گسترش روش به فیزیک های دیگر مشکل بوده و کنترل شکل پذیری ناحیه ها باید به خوبی مورد توجه قرار گیرد. این روش توسط آقای مهندس کلاه کج در حال بررسی می باشد. هدف نهایی کار آقای مهندس کلاه کج شبیه سازی ذوب و انجماد نانومواد تغییر فاز دهنده با روش شبکه شکل پذیر می باشد.

 

۱- آقای مهندس دوستانی دزفولی (مقطع کارشناسی ارشد)

عنوان پایان نامه فارسی: مدلسازی انتقال حرارت جابجایی طبیعی همبسته نانوسیالات تغییر فاز دهنده درون یک محفظه بسته

عنوان پایان نامه انگلیسی: Modeling conjugate natural convection heat transfer of nanoparticles enhanced phase change materials (NEPCM) inside an enclosure

استاد مشاور پایان نامه آقای مهندس دوستانی دزفولی آقای پرفسور چمخا می باشد. پرفسور چمخا جزو دانشمندان بسیار معروف جهان در مهندسی مکانیک و جزو هیات تحریریه ژورنال های   ASME می باشند.

شکل شماتیک مسئله آقای مهندس دوستانی دزفولی برای یک سیال خالص درون یک محفظه به صورت زیر است:

schematic_Typical fluidشکل (۱) شماتیک مدل یک سیال تغییر فاز دهنده در یک محفظه بسته برای ماده تغییر فاز دهنده خالص

شکل فوق یک محفظه دو بعدی پرشده از ماده تغییر فاز دهنده را نشان می دهد که از بالا و پایین عایق بوده و از دیواره سمت چپ در حال گرم شدن می باشد. دیواره سمت راست نیز یک دیواره سرد می باشد. ماده تغییر فاز دهنده از سمت گرم شروع به ذوب نموده وسطح میان فاز مایع و جامد شروع به پیشروی به سمت دیواره سرد پیشروی می کند. هرچه مقدار ذوب و فاز مایع بیشتر شود آزادی عمل سیال بیشتر شده و انتقال حرارت جابجایی طبیعی در محفظه شدت می گیرد. ناحیه Mushy همان ناحیه خمیری بوده که سطح مرز میان مایع و جامد را نشان می دهد. معادلات حاکم بر مسئله فوق که توسط مهندس دوستانی تهیه و بی بعد شده است را در اینجا می توانید مشاهده نمایید. آقای مهندس دوستانی دزفولی تاکنون انتقال حرارت ماده خالص تغییر فاز دهنده در یک محفظه بسته را شبیه سازی نموده است. نمونه ای از کانتورهای دمای ماده تغییر فاز دهنده در طی فرِآیند ذوب را به صورت متحرک در اینجا و نمونه ای از کانتورهای سرعت را به صورت متحرک در اینجا می توانید مشاهده نمایید. آقای مهندس دوستانی دزفولی تاکنون نتایج کار خود را با مقالات معتبر زیر مقایسه نموده است:

۱- Joulin, A., Younsi, Z., Zalewski, L., Rousse, D. R., & Lassue, S. (2009). A numerical study of the melting of phase change material heated from a vertical wall of a rectangular enclosure. International Journal of Computational Fluid Dynamics, 23(7), 553-566. (Download)
۲- Brent, A. D., Voller, V. R., & Reid, K. T. J. (1988). Enthalpy-Porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal. Numerical Heat Transfer, Part A Applications, 13(3), 297-318. (Download)
۳- Kashani, S., Ranjbar, A. A., Abdollahzadeh, M., & Sebti, S. (2012). Solidification of nano-enhanced phase change material (NEPCM) in a wavy cavity. Heat and Mass Transfer, 48(7), 1155-1166. (Download)
۴- Khodadadi, J. M., & Hosseinizadeh, S. F. (2007). Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage. International Communications in Heat and Mass Transfer, 34(5), 534-543. (Download)
۵- Tiari, S., Qiu, S., & Mahdavi, M. (2015). Numerical study of finned heat pipe-assisted thermal energy storage system with high temperature phase change material. Energy Conversion and Management, 89, 833-842. (Download)
 نتیجه برخی از این مقایسه ها در شکل (۲)  قابل مشاهده است. همانطورکه مشخص است، توافق بسیار عالی میان نتایج پژوهش حاضر و پژوهش های گذشته به دست آمده است.
مقایسه مرز جامد مذاب با پژوهش های موجودمقایسه مرز جامد مذاب با پژوهش های موجود
شکل (۲) مقایسه مرز جامد مذاب با پژوهش های موجود
آقای مهندس دوستانی دزفولی در ادامه کار یک مقایسه با نتایج یک گزارش تجربی در مورد ذوب یک مکعب سربی انجام داده است. نتایج تجربی به دست آمده از اسکن نوترونی فلز در ناحیه جامد و مذاب به دست آمده اند. در شکل مقابل نمونه ای از دستگاه آزمایش تست ذوب سرب و قطعه سرب نشان داده شده است
setup3 setup2 setup
تصویر میکروسکوپ نوترونی از سرب در حال ذوب نمونه قطعه سرب شماتیک ستاپ دستگاه ذوب
Kumar2012 Validation_Kumar et al.2012
تصویر متحرک کسر ذوب به دست آمده

کلیک کنید و کمی صبر نمایید تا تصویر به حرکت درآید

مقایسه نتایج شبیه سازی ذوب سرب و مقایسه با کار کومار و همکاران (۲۰۱۲)
Kumar, L., Manjunath, B. S., Patel, R. J., Markandeya, S. G., Agrawal, R. G., Agrawal, A., … & Prabhu, S. V. (2012). Experimental investigations on melting of lead in a cuboid with constant heat flux boundary condition using thermal neutron radiography. International Journal of Thermal Sciences, 61, 15-27. (Download)
در ادامه ایشان مسئله محفظه پرشده با مواد تغییر فاز دهنده بهبود یافته با نانوذرات (نانوسیال تغیییر فاز دهنده) را مدلسازی خواهند نمود. آقای مهندس دوستانی دزفولی تاکنون معادلات حاکم بر نانوسیالات تغیییر فاز دهنده را استخراج نموده و در حال حاضر سعی در حل معادلات مذکور دارند.

۲- آقای مهندس کلاه کج (مقطع کارشناسی ارشد)

عنوان پایان نامه فارسی: مدلسازی ذوب و انجماد مواد تغییر فاز دهنده بهبودیافته با نانوذرات در یک محفظه بسته با استفاده از روش شبکه شکل پذیر

عنوان پایان نامه انگلیسی: Melting and solidification modeling of nanoparticles enhanced phase-change materials (NEPCM) inside an enclosure using deformed mesh method

VALIDATE_KOLAHKAJ

این پایان نامه که به صورت عددی شبیه سازی می شود، ذوب و انجماد یک نوع نانو ماده تغییر فاز دهنده را شبیه سازی می کند و علاوه بر اثرات حضور نانو ذرات،  اثرات غلظت و اندازه نانو ذرات را بر بهبود ذوب و انجماد بررسی خواهد کرد. هندسه مورد نظر یک حفره مربعی شکل می باشد که دیواره های چپ و راست به ترتیب دیواره گرم و سرد و دیواره های بالا و پایین نیز آدیاباتیک می باشند. در پژوهش حاضر ابتدا روش¬های مدلسازی فرآیند ذوب و انجماد مواد تغییر فاز دهنده و روش¬های مدلسازی نانوسیالات بررسی می¬شود. سپس، معادلات حاکم بر مواد تغییر فاز دهنده برای مدلسازی تغییر فاز در روش شبکه تغییر شکل دهنده بررسی می¬شود. در مدلسازی نانوسیال فرض خواهد شد که نانوسیال همگن بوده و در فرآیند ذوب و انجماد همگن باقی می¬ماند. شماتیک مدلسازی مسئله در تصویر قابل مشاهده است.

 

روش شبکه شکل پذیر:

meshروش قابل توجه و جالبی که برای مدلسازی این موضوع به کار می رود، روش شبکه شکل پذیر می باشد. شبکه شکل پذیر یا همان مش بندی متحرک، روشی مناسب و مرتبط با سیستمهای در حال تغییر شکل می باشد که دارای کیفیت و دقت مناسب تری نسبت به سایر روش ها مانند روش موشی می باشد. این روش دارای مشکلاتی مانند ایجاد گره خوردگی و اعوجاج در نقاطی با تغییر شکل بالا و پیچیدگی در ترکیب آن با فیزیک های دیگر می باشد. البته مشکل اعوجاج و درهم پیچیدگی شبکه با استفاده از روش ریمشینگ تا حدودی قابل حل می باشد. نمونه هایی از حل های به دست آمده تا کنون در ادامه قرار دارد.

 

 

 

نمونه ای از حل متحرک کانتورهای سرعت  ودما برای مسئله بنچ مارک Bertrand et al. 1999:

لطفا برای مشاهده تصویر متحرک کلیک نموده و کمی صبر نمایید تا تصویر شروع به حرکت نماید.

Temperature_gobin velocity_gobin
شبکه متحرک و کانتورهای دما شبکه متحرک و کانتورهای سرعت

 Bertrand, O., Binet, B., Combeau, H., Couturier, S., Delannoy, Y., Gobin, D., … & Vieira, G. (1999). Melting driven by natural convection A comparison exercise: first results. International Journal of Thermal Sciences, 38(1), 5-26. (Download)

نمونه ای از حل متحرک کانتورهای سرعت  ودما برای مسئله بنچ مارک Brent et al. 1988:

لطفا برای مشاهده تصویر متحرک کلیک نموده و کمی صبر نمایید تا تصویر شروع به حرکت نماید.

Temperature_Berent Velocity_Berent
شبکه متحرک و کانتورهای دما شبکه متحرک و کانتورهای سرعت

 

Brent, A. D., Voller, V. R., & Reid, K. T. J. (1988). Enthalpy-Porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal. Numerical Heat Transfer, Part A Applications, 13(3), 297-318. (Download)
آقای مهندس کلاه کج در ادامه یک مقایسه با نتایج تجربی مقاله کومار و همکاران در مورد ذوب سرب انجام خواهد داد و سپس بحث در زمینه نانومواد تغییر فاز دهنده ادامه خواهد یافت.
با قدرت وردپرس فارسی - فارسی سازی : آرتاباز