مطالعه عددی تأثیر میدان های مغناطیسی غیر یکنواخت در انتقال حرارت و پیشروی جبهه انجماد و ذوب در یک محفظه بسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده

اخیرا سیستم های جدید ذخیره سازی انرژی با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند، زیرا این مواد در هنگام تغیر فاز، می توانند انرژی را در دمای ثابت جذب و آزاد کنند. با توجه به این ویژگی، آنها به طور گستردهای در سیستم های انرژی استفاده می شود. در این مطالعه، تأثیر اعمال میدان مغناطیسی غیر یکنواخت با گرادیان‌های مثبت و منفی بر روی انتقال حرارت و پیشروی جبهه انجماد و ذوب نانوسیال مغناطیس شونده فاقد هدایت الکتریکی بعنوان یک ماده تغییر فاز دهنده در یک محفظه چهارگوش در حضور میدان‌های مغناطیسی مختلف به‌صورت عددی با استفاده از مدل تک فازی همگن و روش حجم محدود، مورد بررسی قرار گرفته است. در کار حاضر برای تحلیل فرآیند انجماد و ذوب مواد تغییر فاز دهنده بهبود یافته با نانوذرات (که در مطالعه حاضر از نانوذرات اکسید آهن استفاده شده است،). از روش آنتالپی- تخلخل استفاده شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، نانوذرات و اعمال میدان مغناطیسی باعث سرعت بخشیدن به فرآیندهای ذوب و انجماد می‌شود. میدان مغناطیسی با گرادیان منفی در جهت محور عمودی، در هر دو حالت انجماد و ذوب بیشترین تأثیر را در پیشروی سریع جبهه انجماد و ذوب و در نتیجه کوتاه‌تر شدن زمان این فرآیند دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Non-Uniform Magnetic Fields Effects on Heat Transfer and Development of Melting- Solidification Processes in an Enclosure

نویسندگان [English]

  • M. Mohammadpourfard 1
  • M. Rostami Dibavar 2
1 Faculty of Chemical and Petroleum Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Developing new energy storage systems using Phase Change Materials (PCMs) have been recently attracted considerable interest, since these materials during phase transition, could absorb and release energy at a constant temperature. Due to this feature, they are widely used in energy systems. In this investigation, the effects of applying nonuniform magnetic field with negative and positive gradients on the heat transfer and also on the development of solidification and melting processes of a non-electrical conductive magnetic nano-fluid as a PCM in an enclosure in the presence of different magnetic fields have been studied numerically using single phase homogenous model and control volume technique. In the present study, the enthalpy-porosity method has been used for analyzing the solidification and melting process of phase change materials enhanced with nanoparticles (in this study Fe3O4 nanoparticles have been used). The obtained results show using nanoparticles and applying magnetic fields increase the development of solidification and melting processes. Due to heat transfer through vertical walls, the effect of the magnetic field with positive and negative gradients only in the y-axis direction has been investigated. Since the magnetic field is applied only to the mushy zone, a magnetic field with a negative gradient in the vertical axis direction will have the greatest effect on the progression of the solidification and melting process so that the time of these processes will be decreased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Melting and solidification development
  • Single phase homogenous model
  • Enthalpy-porosity method
  • Non-uniform magnetic field

مراجع

[1] X.-Q. Wang, C. Yap, A.S. Mujumdar, A parametric study of phase change material (PCM)-based heat sinks, International Journal of Thermal Sciences, 47(8) (2008) 1055-1068.
[2] L. Jian-you, Numerical and experimental investigation for heat transfer in triplex concentric tube with phase change material for thermal energy storage, Solar Energy, 82(11) (2008) 977-985.
[3] A. Elgafy, K. Lafdi, Effect of carbon nanofiber additives on thermal behavior of phase change materials, Carbon, 43(15) (2005) 3067-3074.
[4] E.M. Alawadhi, A solidification process with free convection of water in an elliptical enclosure, Energy Conversion and Management, 50(2) (2009) 360-364.
[5] J.M. Khodadadi, L. Fan, H. Babaei, Thermal conductivity enhancement of nanostructure-based colloidal suspensions utilized as phase change materials for thermal energy storage: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24 (2013) 418-444.
[6] J.M. Khodadadi, S.F. Hosseinizadeh, Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage, International Communications in Heat and Mass Transfer, 34(5) (2007) 534-543.
[7] S.Y. Wu, H. Wang, S. Xiao, D.S. Zhu, An investigation of melting/freezing characteristics of nanoparticle-enhanced phase change materials, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 110(3) (2012) 1127-1131.
[8] R.L. Hamilton, O.K. Crosser, Thermal Conductivity of Heterogeneous Two-Component Systems, Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1(3) (1962) 187-191.
[9] M. Faraji, H. El Qarnia, Numerical study of melting in an enclosure with discrete protruding heat sources, Applied Mathematical Modelling, 34(5) (2010) 1258-1275.
[10] S. Kashani, A.A. Ranjbar, M. Abdollahzadeh, S. Sebti, Solidification of nano-enhanced phase change material (NEPCM) in a wavy cavity, Heat and Mass Transfer, 48(7) (2012) 1155-1166.
[11] S.F. Hosseinizadeh, A.A.R. Darzi, F.L. Tan, Numerical investigations of unconstrained melting of nano-enhanced phase change material (NEPCM) inside a spherical container, International Journal of Thermal Sciences, 51 (2012) 77-83.
[12] Y. Zeng, L.-W. Fan, Y.-Q. Xiao, Z.-T. Yu, K.-F. Cen, An experimental investigation of melting of nanoparticle-enhanced phase change materials (NePCMs) in a bottom-heated vertical cylindrical cavity, International Journal of Heat and Mass Transfer, 66 (2013) 111-117.
[13] M.H. Djavareshkian, A. Karimi, Numerical simulation of water solidification in pipes, Journal of Aerospace 2(3) (2006) 31-40 (in Persian).
[14] E.M. Alawadhi, Phase change process with free convection in a circular enclosure: numerical simulations, Computers & Fluids, 33(10) (2004) 1335-1348.
[15] S.A. Fomin, A.V. Wilchinsky, T.S. Saitoh, Close-Contact Melting Inside an Elliptical Cylinder, Journal of Solar Energy Engineering, 122(4) (2000) 192-195.
[16] Y.M.F. El Hasadi, J.M. Khodadadi, Numerical Simulation of the Effect of the Size of Suspensions on the Solidification Process of Nanoparticle-Enhanced Phase Change Materials, Journal of Heat Transfer, 135(5) (2013) 052901-052901-052911.
[17] M. Mohammadpourfard, Numerical study the effects of magnetic fields on the nano-magnetic non-Newtonian fluid with the electrical conductivity in a vertical channel, Modares Mechanical Engineering 15(11) (2015) 379-389 (in Persian).
[18] D. Zablotsky, A. Mezulis, E. Blums, Surface cooling based on the thermomagnetic convection: Numerical simulation and experiment, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(23) (2009) 5302-5308.
[19] H. Yamaguchi, X.-R. Zhang, X.-D. Niu, K. Yoshikawa, Thermomagnetic natural convection of thermo-sensitive magnetic fluids in cubic cavity with heat generating object inside, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322(6) (2010) 698-704.
[20] H.C. Brinkman, The Viscosity of Concentrated Suspensions and Solutions, The Journal of Chemical Physics, 20(4) (1952) 571-571.
[21] Y. Feng, H. Li, L. Li, L. Bu, T. Wang, Numerical investigation on the melting of nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) in a bottom-heated rectangular cavity using lattice Boltzmann method, International Journal of Heat and Mass Transfer, 81 (2015) 415-425.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 50، شماره 6
بهمن و اسفند 1397
صفحه 1251-1264

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار