مبدل حرارتی پوسته و لوله، سیستم ذخیره سازی حرارتی PCM، اعتبار سنجی عددی مقاله

توضیحات

شرح پروژه مبدل حرارتی پوسته و لوله، سیستم ذخیره سازی حرارتی PCM

در این پروژه به شبیه سازی سیستم ذخیره سازی حرارتی PCM در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم و نتایج را با نتایج مقاله Experimental and computational evolution of a shell and tube heat exchanger as a PCM thermal storage system] مقایسه و اعتبارسنجی کرده ایم.

نتایج در مقاله بر اساس شبیه سازی تجربی و عددی است. به طور کلی مواد تغییر فاز موادی با ترکیبات آلی هستند که می توانند مقادیر زیادی انرژی گرمایی نهان را جذب و ذخیره کنند. ذخیره انرژی حرارتی در این مواد طی فرآیند تغییر فاز (فاز جامد به مایع یا بالعکس) به دست می آید. به طوری که هنگام تغییر فاز از جامد به مایع، گرما را از محیط اطراف جذب می کند (باعث سرد شدن محیط می شود) و در هنگام تغییر فاز از مایع به جامد، گرما را به محیط باز می گرداند (باعث گرم شدن محیط می شود).

ماده تغییر فاز دهنده مورد استفاده در این شبیه سازی پارافین نوع RT50 است. بنابراین دارای چگالی برابر با 820 کیلوگرم بر متر مکعب و ظرفیت گرمایی ویژه برابر با 2000 j/kg.K و هدایت حرارتی برابر با 0.2 W/m.K است.

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله مسی که در آن آب با دبی جرمی برابر با 0.008318 کیلوگرم بر ثانیه و دمایی برابر با 343.15 کلوین جریان دارد، وارد لوله داخلی مبدل حرارتی شده و داخل پوسته مبدل حرارتی توسط ماده تغییر فاز دهنده (PCM) پر می شود.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ANSYS Design Modeler به صورت سه بعدی طراحی شده است. این مدل یک مبدل حرارتی پوسته و لوله است که از یک لوله داخلی تشکیل شده است. ضخامت دیواره داخلی لوله برابر با 0.0025 متر است. طول لوله به صورت افقی 1 متر و شعاع داخلی و خارجی آن به ترتیب 0.011 متر و 0.0425 متر است. با توجه به ساختار متقارن لوله و برای کاهش هزینه محاسباتی، باید نیم هندسه مدلسازی شود.

ما مش بندی مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام دادیم. نوع مش ساختار یافته است و تعداد سلول های محاسباتی 169171 سلول می باشد. 

روش های استفاده شده

در این شبیه سازی، از مدل انجماد و ذوب (Solidification and Melting) برای تعریف فرآیند تغییر فاز مواد استفاده شده است. برای تعریف مواد تغییر فاز باید توجه داشت که حداکثر دمایی که در آن دمای فاز جامد است (دمای جامد) 2/317 کلوین و حداقل دمایی که در آن فاز مایع غالب است (دمای مایع) 3/327 کلوین است. گرمای ذوب حلال خالص به صورت 170320 j/kg تعریف می شود.

همچنین ویسکوزیته ماده تغییر فاز به دما بستگی دارد و به صورت تابع نمایی وابسته به دما در قالب یک کد یو دی اف (UDF) تعریف شده است.

نتایج شبیه سازی مبدل حرارتی پوسته و لوله، سیستم ذخیره سازی حرارتی PCM

در پایان فرآیند حل، نموداری از تغییرات دمای بخش پوسته حاوی مواد تغییر فاز بر اساس زمان طی یک فرآیند ذوب کامل به دست می‌آید. این نمودار تغییرات دما با نمودار شکل 8 مقاله مرجع مقایسه و اعتبارسنجی شده است. نمودار مقاله شامل نتایج کار تجربی و نتایج شبیه سازی عددی CFD می باشد. نتایج نشان می دهد که نتایج شبیه سازی عددی کنونی در مقایسه با نتایج کار عددی و تجربی در مقاله از دقت قابل قبولی برخوردار است. همچنین کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، دما و کسر جرمی مایع به دست آمده است.