ماده تغییر فاز دهنده در محفظه شیشه‌ای، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

ماده تغییر فاز دهنده در محفظه دایره‌ای با پوشش شیشه‌ای

شرح پروژه (ماده تغییر فاز دهنده)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی ماده تغییر فاز دهنده (phase change material) در محفظه دایره‌ای با پوشش شیشه‌ای با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

این ماده تغییر فاز دهنده به طور مساوی در داخل محفظه توزیع شده است. مواد تغییر فاز دهنده موادی با ترکیبات معدنی یا آلی هستند که قادر به جذب و ذخیره مقادیر زیادی انرژی گرمایی نهان (latent thermal energy) هستند.

ذخیره انرژی حرارتی در این مواد طی فرآیند تغییر فاز (فاز جامد به مایع یا بالعکس) به دست می‌آید. به طوری که وقتی فاز از جامد به مایع تبدیل می‌شود، گرما را از محیط جذب می‌کنند و زمانی که فاز از حالت مایع به جامد تبدیل می‌شود، گرما را به محیط باز می‌گرداند.

این مواد تغییر فاز دهنده دارای دمای ذوب یا انجماد متفاوتی هستند.

بنابراین ماده تغییر فاز دهنده در سیستم‌های گرمایش و سرمایش استفاده می‌شود. به عنوان مثال، این مواد در یک روز گرم گرمای محیط را به صورت گرمای نهان دریافت می‌کنند و ذوب می‌شوند. سپس در هوای خنک شب، با تغییر فاز و فرآیند انجماد، مجدداً گرما را به محیط باز می‌گردانند.

برای مدل‌سازی حاضر، از پوشش شیشه‌ای اطراف محفظه حاوی مواد تغییر فاز دهنده با دمای ثابت 338.15 کلوین استفاده شده است که وظیفه انتقال حرارت به ماده تغییر فاز دهنده را برعهده دارد.

هندسه دو بعدی مدل با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی شده است. مدل حاضر شامل دایره‌ای با شعاع بیرونی 0.0335 متر و شعاع داخلی 0.032 متر است.

سپس مش بندی با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 4797 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

از آنجایی که ماهیت ماده تغییر فاز دهنده مدل حاضر مبتنی بر تغییر فاز بین فازهای جامد و مایع است، از مدل انجماد و ذوب (solidification and melting model) برای شبیه‌سازی استفاده شده است. این ماده تغییر فاز دهنده در حالت اولیه شبیه سازی دارای دمای 332.15 کلوین است.

برای استفاده از مدل انجماد و ذوب، حداکثر دمایی که در آن فقط فاز جامد وجود دارد (T_solidus)، حداقل دمایی که در آن فقط فاز مایع وجود دارد (T_liquidus)، و گرمای نهان ذوب حلال در حالت خالص (pure solvent melting) باید استفاده شود.

از آنجایی که فرآیند شبیه سازی از نظر زمانی گذرا (transient) است، فرآیند شبیه سازی در بازه زمانی 250 دقیقه (15000 ثانیه) با گام زمانی 600 ثانیه انجام می‌شود.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) کسر جرمی مایع (liquid fraction) و دما در زمان‌های مختلف با فواصل 40 دقیقه به‌دست آمد.

همچنین، نموداری از تغییرات مقدار کسر جرمی مایع در طول زمان به دست می‌آید. همان‌طور که واضح است، کسر جرمی مایع برحسب زمان افزایش می‌یابد و درنتیجه، کسر جرمی جامد کاهش می‌یابد.