پایان نامه

مواد تغییر فاز دهنده و ذخیره سازی انرژی گرمایی در مبدل های حرارتی

کاربردهای مواد تغییر فازدهنده :

PCM ها کاربردهای بسیار گسترده ای در صنایع مختلف از جمله نساجی، ماهواره ها، مخابرات و پزشکی با توجه به دمای تغییر حالتشان دارند. موادی که زیر 15 درجه سانتیگراد ذوب می شوند، برای تهویه هوا و در خنک کاری های شدید در پدیده هایی که تغییر دمایی منظمی ندارند مورد استفاده قرار میگیرند. موادی که بالای 90 درجه سانتیگراد ذوب می شوند در جاهایی که دما به طور ناگهانی ممکن است بالا روند، جهت جلوگیری از حریق کاربرد دارند]15[.

در ساختمان های مسکونی که 40 % و سوله های صنعتی و کارخانه ها که نزدیک 55 % از انرژی را مصرف می کنند کاربرد دارد. اهمیت آنها وقتی مضاعف خواهد شد که می بینیم نقش بازیافت و بهینه سازی مصرف انرژی در مدیریت انرژی جنبه مهمی می یابد و به کاربردن این مواد به طور مثال در دیواره های شرقی و غربی در حدود 29 % ودر دیواره های شمالی و جنوبی یک منزل مسکونی در حدود 19 % بازیافت انرژی خواهد داشت.

هدف از استفاده از PCM ها در ساختمان به دو دلیل عمده است:

·      بهره گیری از گرمای طبیعی خورشید جهت سرمایش و گرمایش

·      بهره گیری از گرمای ذخیره شده توسط سیستم های سرمایشی و گرمایشی

برای استفاده کردن از PCM ها به منظور تحقیق اهداف فوق,سه راه کلی وجود دارد:

1.    PCM ها در دیوار ساختمان

2.    PCM ها در سقف و کف

3.    PCM در مخازن ذخیره کننده سرد و گرم

از طرق دیگر به کارگیری PCM در ساختمان می توان به کرکره PCM ، دیوار PCM رو به خورشید، سیستم های گرمایش کف و تخته های سقفی PCM اشاره کرد. با قرار دادن PCM در سقف کاذب از انها به عنوان بخشی از سیستم گرمایشی و سرمایشی استفاده می شود. همچنین با بهره گرفتن از دیوار مجهز به PCM می توان به کاهش بار سیستم تهویه مطبوع کمک کرد. استفاده از PCM در دیواره ها علاوه بر سبک تر شدن آنها,سبب ذخیره شدن انرژی می گردد. این مواد معمولا از جنس هیدروکربن ها یا نمک های هیدارته هستند که به همراه مواد افزودنی آهنی جهت افزایش ضریب هدایت هدایت حرارتی به کار می روند.

گرمایش تشعشعی از کف در قیاس با جابجایی به دلیل ایجاد گرمایش مطلوب تر و کمتر اشغال شدن فضا بهتر است. با به کارگیری PCM در مصالح کف و فرض گرمایش الکتریکی، می توان از مصرف انرژی الکتریکی کاست.در این روش,به هنگام شب که مصرف برق کمتر می باشد، با روشن شدن سیستم الکتریکی،ماده PCM ذوب شده و گرما را در درون خود ذخیره می کند و در روز با قطع شدن جریان گرما به محیط پس داده می شود که علاوه بر صرفه جویی فوق الذکر در مصرف برق،تولید برق توسط نیروگاه ها متوازن می گردد.

1-7-1 کاهش نوسانات دمایی در داخل ساختمان

اصلی ترین سیاست طراحی اقلیمی ساختمان، مقابله در برابر نوسانات شدید دمایی محیط پیرامون در فصول مختلف است. ساختمان اصولی از لحاظ اقلیمی بایستی دارای این قابلیت باشد که بتواند از نفوذ گرمای تابستان به داخل و از خروج گرمای داخل به خارج در فصل زمستان جلوگیری نماید. از این طریق، با کاهش نوسانات داخلی دما میتوان آسایش نسبی را برای ساکنین ساختمان فراهم نمود. ماده تغییر فازدهنده میتواند به صورت هوشمندانه و بدون استفاده از تجهیزات مکانیکی از طریق همساز شدن با نوسانات دمایی محیط، از شدت این نوسانات کاسته و از این طریق دمای هوای متعادل تری را برای فضای داخل ساختمان ایجاد نماید. در صورت استفاده از چنین تکنیکی، میتوان به طور قابل ملاحظه ای از کارکردن تجهیزات مکانیکی سرمایشی و گرمایشی در ساعات اوج مصرف کاست]16[.

1-7-2  استفاده از ماده تغییر فازدهنده در سیستمهای خورشیدی

یکی از ظرفیتهای مواد تغییرفازدهنده برای ذخیره انرژی خورشیدی در ساختمانهایی است که قابلیت جمع آوری انرژی خورشیدی با بهره گرفتن از گردآورنده های خورشیدی را دارا هستند. در صورت استفاده از مواد تغییرفازدهنده در چنین سیستمهایی، میتوان حجم بالایی از انرژی خورشیدی را در طول ساعات روز ذخیره نموده و در طول ساعات شب از همین انرژی برای گرمایش استفاده نمود. مواد تغییرفازدهنده در این سیستم ها معمولاً در محفظه های نازکی که با آرایش صفحه ها روی هم قرار گرفته اند، نگهداری می شوند و سپس سیال انتقال حرارت از بین این صفحات و در تماس غیر مستقیم با این مواد حرکت می کند. روش کار در این سیستم ها بدین صورت است که انرژی جمع آوری شده توسط گردآورنده ها در روز موجب گرم شدن سیال انتقال حرارت (معمولاً آب) میشود. سپس آب گرم شده گرمای خود را به صفحات حاوی ماده تغییر فازدهنده تحویل می دهد و ماده مذکور این گرما را در قالب گرمای نهان دریافت نموده و آن را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع مینماید. در طول ساعات شب، آب سرد جایگزین آب گرم درون سیستم میشود. مواد تغییر فاز دهنده نیز به دلیل کاهش دما، فرایند انتقال فاز خود را به صورت برعکس (از مایع به جامد) طی میکند و لذا حجم گرمای دریافتی در طول روز را به آب سرد پس داده و سبب گرم شدن آب میشود]17,18[. سپس از آب گرم حاصل جهت گرمایش ساختمان استفاده می شود. برای افزایش کارایی چنین سیستم هایی، نیاز به تکنیک هایی است که فرایند انتقال حرارت بین ماده تغییر فاز دهنده و سیال انتقال گرما را به حداکثر برساند و اکثر مطالعات نیز در همین زمینه صورت گرفته است.

1-7-3 مواد تغییر فاز دهنده و کاربرد آنها در منسوجات

اصول بنیادی علم به طور گسترده ای برای تولید منسوجات نو و ابتکاری استفاده می شود.یکی از این اصول تغییر فاز است،یعنی تبدیل از یک حالت فیزیکی به حالت دیگر. امروزه الیاف و منسوجاتی که خاصیت تطبیق دارند،بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. این خاصیت می تواند توسط استفاده از مواد تغییر فاز دهنده (Phase Change Material) حاصل شود. یکی از راه های موثر ذخیره انرژی گرمایی، به کارگیری مواد تغییر فازدهنده می باشد.

تکنولوژی جادادن میکروکپسول های مواد تغییر فازدهنده درون منسوج و الیاف تنظیم کننده دما در اوایل دهه 1980 در برنامه تحقیقاتی ناسا توسعه یافت. هدف اصلی استفاده از این پارچه ها در لباسهای فضانوردان،  برای محافظت در برابرتغیرات دمای بسیار بالا درفضای خارجی بود.

امروزه تولیدکنندگان می توانند از مواد تغییر فازدهنده در سطح وسیعی برای بهبود راحتی گرمایی پوشاک استفاده کنند.

مواد تغییر فاز دهنده ای که در دمایی کمتر یا بیشتر از دمای بدن تغییر فاز می دهند، برای استفاده در کاربردهای نساجی مناسب می باشند. از آنجا که تغییر فاز یک فرآیند دینامیک است، بنابراین مواد، بسته به میزان فعالیت فیزیکی بدن و دمای بیرون، دائماً ازحالتی به حالت دیگر تغییر می کنند. خاصیت تنظیم دما در الیاف بشر ساخت توسط افزودن میکروکپسول های ماده تغییر فاز دهنده درون محلول پلیمری قبل از اکستروژن لیف قابل حصول می باشد. در این فرآیند میکروکپسول های ماده تغییر فاز دهنده درون لیف گنجانده می شوند]19[.

کاربردهای منسوجات حاوی مواد تغییر فاز دهنده شامل البسه، پتو، پزشکی، عایق بندی، محافظتی و بسیاری دیگر است. در ادامه، مختصری از کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در زمینه نساجی توضیح داده می شود.

1-7-3-1  فضانوردی

از نخستین مصارف تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده، استفاده در دستکش ها و لباس های فضانوردی است که از فضانوردان در برابر سرمای زیاد، محافظت می کند.

1-7-3-2  البسه ورزشی

گرمای تولید شده توسط بدن حین فعالیت ورزشی اغلب به مقدار لازم به محیط اطراف انتقال داده نشده و این امر باعث بروز تنش حرارتی می شود. وجود ماده تغییر فاز دهنده می تواند این گرمای اضافی را جذب نموده و در فرصت مناسب آن را آزاد کند. دستکش های اسنوبرد، لباس زیر و لباس کوهنوردی، لباس زیر برای دوچرخه سواری و دو، چکمه های اسکی، چکمه های کوهنوردی، چکمه های راننده های رالی، کلاه و دستکش موتورسواری و کفش گلف مثال هایی از کاربردهای مواد تغییرفازدهنده در البسه ورزشی می باشند.

1-7-3-3  لوازم خواب

میکروکپسول های تعبیه شده درون لحاف، بالش و تشک ها، کنترل فعال دما در رختخواب را امکان پذیر می سازند. هنگامی که بدن گرم می شود، گرمای اضافه جذب شده و بدن خنک می ماند و هنگامی که بدن سرد شود گرمای جذب شده آزاد شده و بدن همچنان گرم نگه داشته می شود.

1-7-3-4 کاربردهای پزشکی

پارچه های عمل شده با PEG در مصارف پزشکی و بهداشتی که انتقال مایعات و خواص ضدمیکروبی مورد انتظار را تامین می نمایند (نظیر باندهای جراحی و پوشک)، قابل استفاده می باشند. همچنین منسوجات حاوی مواد تغییر فاز دهنده که می توانند دمای پوست را در محدوده راحتی ثابت نگه دارند، در بانداژها کاربرد دارند.

1-8 روش های ذخیره انرژی

خصوصیات اساسی هر سیستم ذخیره انرژی با بهره گرفتن از فاکتورهای چگالی انرژی و چگالی توان ، بازده سیکل , دشارژ خود به خود، عمر سیکل و طول عمر برمبنای سال تشریح می شود. برخی از روش های ذخیره انرژی به شرح ذیل می باشد]20,21,22[:

 

1-8-1 ذخیره انرژی مکانیکی

سیستم های ذخیره انرژی مکانیکی شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره انرژی هوای فشرده و چرخ دوار می باشد.

1-8-2 ذخیره انرژی الکتریکی

ذخیره انرژی توسط باتری ها نمونه ای از ذخیره انرژی الکتریکی است.

1-8-3 ذخیره انرژی گرمایی

انرژی گرما یی می تواند توسط تغییرانرژی درونی ماده به شکل های گرمای محسوس، گرمای نهان یا ترکیبی از این ذخیره شود.

·       ذخیره گرمای محسوس: در ذخیره گرمای محسوس(SHS) انرژی گرمایی توسط افزایش دمای جامد یا مایع ذخیره می شود.آب به واسطه ارزان بودن و داشتن گرمای ویژه بالا،بهترین SHS  مایع محسوب می شود.

·       ذخیره گرمای نهان: ذخیره گرمای نهان (LHS) بر مبنای جذب یا رهاسازی گرما هنگام تغییر فاز ماده از جامد به مایع است.

1-8-4 ذخیره انرژی ترموشیمیایی

سیستم های ترموشیمیایی وابسته به انرژی جذب شده یا رهاشده هنگام شکستن یا تغییر فرم پیوندهای مولکولی در یک واکنش شیمیایی کاملا برگشت پذیر است.

از میان روش های مذکور، ذخیره انرژی گرمای نهان به دلیل قابلیت ایجاد چگالی بالای ذخیره انرژی و ذخیره انرژی در دمای ثابت (دمای تغییر فاز ماده ی تغیر فازدهنده) از اقبال بیشتری برخوردار است.

1-9 مواد تغییر فاز دهنده و ذخیره سازی انرژی

با گسترش صنایع و شهرها و با ادامه یافتن افزایش تولید گازهای گلخانه ای، کره ی زمین لحظه به لحظه در حال گرمتر شدن است. گرم شدن کره ی زمین باعث ذوب شدن یخ های در قطب های شمال و جنوب و ایجاد فجایع زیست محیطی می شود. از طرفی دانشمندان معتقدند که با توجه به تقاضا برای رفاه بیشتر نمی توان جلوی پیشرفت صنایع و شهرها را گرفت. پس بنابراین محققین در این چند سال اخیر به دنبال راه های گوناگون ذخیره سازی انرژی اتلافات حرارتی به فرم های مناسب، جهت استفاده ی دوباره هستند.

 

عکس ها و اشکال مربوط به این مطلب در فایل اصلی پایان نامه موجود است

دانلود پایان نامه ارشد : تحلیل عددی ذخیره سازی انرژی گرمایی در مبدل های حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده