بهینه‌سازی چیدمان فین‌ها در مبدل حرارتی دو لوله‌ای جهت بهبود عملکرد ذخیره‌سازی در مواد تغییرفازدهنده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

پژوهشکده انرژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران

چکیده

استفاده از سیستم‌های ذخیره گرمای نهان با استفاده از مواد تغییر فازدهنده (PCM) راه موثری برای ذخیره انرژی حرارتی است که اخیراً بسیار مورد توجه بوده است. استفاده از فین‌ها یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین راهکارهای افزایش انتقال حرارت در PCM و افزایش عملکرد سیستم ذخیره‌سازی است. با توجه به اینکه نحوه چیدمان فین‌ها در مدت زمان شارژ PCM و در نتیجه راندمان انتقال حرارت تاثیر بسزایی دارد، هدف اصلی از این مطالعه، بهینه‌سازی چیدمان فین‌ها در محفظه PCM در یک مبدل حرارتی دولوله‌ای، جهت کاهش زمان شارژ و در نتیجه افزایش راندمان سیستم ذخیره‌سازی انرژی است. برای این منظور معادلات حاکم شامل بقای جرم، بقای ممنتوم و بقای انرژی در یک مبدل حرارتی دولوله‌ای فین‌دار، با استفاده از نرم‌افزار انسیس-فلوئنت حل شده‌اند و رفتار دینامیکی PCM و عملکرد سیستم ذخیره‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است. عملکرد حرارتی-سیالاتی PCM در چیدمان‌های مختلف فین‌ها با رسم کانتورهای کسرمایع، بردارهای سرعت و خطوط جریان بطور کامل تحلیل شده‌اند. همچنین برای یافتن بهترین چیدمان فین‌ها جهت بهینه‌سازی عملکرد ذخیره‌سازی، از روش سطح پاسخ و طرح مرکب مرکزی استفاده شده است. نتایج بدست آمده از سطح پاسخ با منحنی مرتبه سوم رتبه‌کاسته که از 25 شبیه‌سازی حاصل شده است، نشان می‌دهد در مقایسه با حالت بدون فین، چیدمان یکنواخت فین‌ها حدود 19% و چیدمان بهینه فین‌ها حدود 56% زمان شارژ را کاهش می‌دهد که عدد قابل توجهی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of Fin Arrangement in a Double-Pipe Heat Exchanger to Improve the Storage Performance of Phase Change Materials

نویسنده [English]

  • Amir Babak Ansari
Department of Energy, Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran
چکیده [English]

Using latent heat storage systems with phase change materials (PCM) is an effective way to store thermal energy, which has been of great interest recently. Using fins is one of the simplest and cheapest ways to increase heat transfer in PCMs and increase the performance of the storage system. Since the fin arrangement has a significant impact on the charging time of the PCM, the main goal of this study is to optimize the fin arrangement in the PCM chamber in a double-pipe heat exchanger in order to decrease the charging time, and thus increase the efficiency of the storage system. For this purpose, the governing equations including conservation of mass, momentum, and energy in a finned double-pipe heat exchanger have been solved using ANSYS-Fluent software to investigate the dynamic behavior of PCM. The thermal-hydraulic performance of PCM at different configurations has been fully analyzed by drawing liquid fraction contours, velocity vectors and streamlines. Also, to find the optimal fin arrangement and maximize the storage performance, the response surface method based on the central composite design have been implemented. The results obtained from the response surface with the reduced cubic equaltion show that compared to the case without fins, the charging time reduces by about 19% using the uniform fin configuration, while reduces about 56% using the optimal fins arrangement, which is a significant amount.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Increasing storage performance
  • Phase change material
  • Double-pipe heat exchanger
  • Optimal fin arrangement
  • Response surface method