استفاده از جریان دوسویه به منظور اصلاح کارایی حرارتی مبدل‌های تخت حاوی مواد تغییرفازدهنده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران،

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر کارایی حرارتی یک مبدل تخت حاوی مواد تغییرفازدهنده به طریق عددی و با هدف بهبود عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور از ایده ای جدید بصورت استفاده از جریان رفت و برگشتی و یا دوسویه در اطراف محفظه های حاوی مواد تغییرفازدهنده استفاده گردید. با ثابت فرض نمودن ضخامت محفظه حاوی مواد تغییرفازدهنده و نیز مجرای هوا، سه مقدار 0/5، 1 و 1/5 متر برای طول مبدل درنظر گرفته شد و هر کدام در دو حالت جریان یک سویه و دوسویه مورد بررسی قرار گرفت. سرعت جریان هوا معادل با اعداد رینولدز 5000 ، 10000 و 15000 بر مبنای قطرهیدرولیکی مجرای جریان هوا محاسبه گردید. با انجام تحلیل عددی گذرا در محیط نرم افزارفلوئنت، نتایج نشان داد که برای عدد رینولدز 10000 شدت انتقال حرارت متوسط به جریان هوا از 280 وات در ابتدای پروسه انجماد به کمتر از 80 وات در مراحل پایانی رسیده است. هنگام استفاده از ایده جریان دوسویه با هندسه و دبی جریان ثابت به ازای سه طول ذکر شده برای مبدل، زمان لازم برای انجماد کامل به ترتیب از 180، 220 و 260 دقیقه با کاهشی در حدود 14، 19 و 22 درصد نتیجه شد. بر اساس این نتایج، با کاهش سرعت جریان هوا و نیز افزایش طول مبدل، تاثیر دوسویه بودن جریان درجهت اصلاح کارایی مبدل بیشتر بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Using Bidirectional Flow to Improve Thermal Efficiency of Plate Heat Exchangers Containing Phase Change Materials

نویسندگان [English]

  • Mostafa Rahimi 1
  • Pouriya Salimi 2
1 Mechanical Engineering Department, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 Mechanical Engineering Department, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

Thermal efficiency of a flat heat exchanger containing phase change material (PCM) was investigated numerically at the present study with the aim of improving its performance. A new idea was proposed based on which air flow through the passages embedded between the chambers containing PCM, modified as reciprocating or bidirectional flow. Three different values of 0.5, 1 and 1.5 m were assumed for the heat exchanger length, and each case was investigated in two flow modes, one-directional usual flow and bidirectional proposed flow mode. Three Reynolds numbers of 5000, 10000 and 15000 were examined based on the average air flow velocity and the hydraulic diameter of the air passage. For Re = 10000 by conducting a transient numerical analysis using Fluent software, it was found that the heat transfer rate to the air flow decreases sharply from 280 W at the beginning of the freezing process to less than 80 W at the final stages. Heat transfer drop was improved when using the bidirectional flow concept for all examined exchanger lengths and Reynolds numbers. As a result, the time required for complete solidification was reduced by about 14, 19 and 22% for three exchanger lengths, respectively. According to these results, the positive effect of bidirectional flow on the efficiency of the exchanger was greater for lower air velocities and larger lengths of the heat exchanger.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Phase Change Materials
  • Heat/Cold Storage
  • Air Heat Exchanger
  • Bidirectional Flow
  • Convective Heat Transfer

مراجع

 
[1] B. Zalba, J.M. Marı́n, L.F. Cabeza, H. Mehling, Free-cooling of buildings with phase change materials, International Journal of Refrigeration, 27(8) (2004) 839-849.
[2] A. Mosaffa, C.I. Ferreira, F. Talati, M. Rosen, Thermal performance of a multiple PCM thermal storage unit for free cooling, Energy Conversion and Management, 67 (2013) 1-7.
[3] P. Dolado, A. Lazaro, J.M. Marin, B. Zalba, Characterization of melting and solidification in a real scale PCM-air heat exchanger: Numerical model and experimental validation, Energy Conversion and Management, 52(4) (2011) 1890-1907.
[4] M. Rajagopal, R. Dinesh Babu, V. Antony Aroul Raj, R. Velraj, Investigation on phase change material-based flat plate heat exchanger modules for free cooling applications in energy-efficient buildings, Advances in Building Energy Research, 11(2) (2017) 282-304.
 [5] A.R. Darzi, S. Moosania, F. Tan, M. Farhadi, Numerical investigation of free-cooling system using plate type PCM storage, International Communications in Heat and Mass Transfer, 48 (2013) 155-163.
[6] M. Dardir, M. El Mankibi, F. Haghighat, L. Klimes, Development of PCM-to-air heat exchanger for integration in building envelope–modeling and validation, Solar Energy, 190 (2019) 367-385.
[7] Y. Kozak, B. Abramzon, G. Ziskind, Experimental and numerical investigation of a hybrid PCM–air heat sink, Applied Thermal Engineering, 59(1-2) (2013) 142-152.
[8] A. Waqas, S. Kumar, Utilization of latent heat storage unit for comfort ventilation of buildings in hot and dry climates, International Journal of Green Energy, 8(1) (2011) 1-24.
[9] J. Dallaire, H.M.A. Hassan, J.H. Bjernemose, M.P.R. Hansen, I. Lund, C.T. Veje, Performance analysis of a dual-stack Air-PCM heat exchanger with novel air flow configuration for cooling applications in buildings, Building and Environment, 223 (2022) 109450.
[10] E. Akyol, O. Hacıhafızoğlu, Ç. Susantez, K. Kahveci, U. Akyol, Experimental and numerical investigation of heat transfer in a channel with multiple phase change materials (PCMs), Journal of Energy Storage, 45 (2022) 103710.
[11] M. Dardir, K. Panchabikesan, F. Haghighat, M. El Mankibi, Y. Yuan, Opportunities and challenges of PCM-to-air heat exchangers (PAHXs) for building free cooling applications—A comprehensive review, Journal of Energy Storage, 22 (2019) 157-175.
[12] M. Iten, S. Liu, A. Shukla, A review on the air-PCM-TES application for free cooling and heating in the buildings, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 61 (2016) 175-186.
[13] B.E. Kareem, A.M. Adham, B.N. Yaqob, Thermal performance of Phase Change Material to Air Heat Exchanger (PAHX): State of the art review, Energy Storage and Saving,  4(2025) 264-283.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 7
مهر 1404
صفحه 921-938

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار