بررسی عددی تأثیر صفحۀ میانی سینوسی با طول موج متغیر بر بهبود فرایند ذوب یک مبدل حرارتی سه‌لوله‌ای قائم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران

چکیده

در این پژوهش، به بررسی تأثیر صفحۀ میانی با طول موج متغیر بر فرایند ذوب یک مبدل حرارتی سه‌لوله‌ای قائم پرداخته می‌شود. محفظۀ میانی مبدل حرارتی از مادۀ تغییر فازدهنده پر شده است و آرایش سیال داغ ورودی غیرهمسوست. در پروژۀ حاضر از روش انتالپی-تخلخل ارائه‌شده در نرم‌افزار انسیس فلوئنت 2020 نسخۀ R2 برای مدل‌سازی فرایند تغییر فاز سیستم ذخیرۀ حرارتی استفاده شده است. همچنین رژیم جریان آرام فرض شده و میدان سرعت و فشار با استفاده از الگوریتم سیمپل کوپل شده‌اند. برای ارزیابی عددی میزان توانایی صفحۀ میانی سینوسی با طول موج متغیر در بهبود فرایند تغییر فاز مبدل حرارتی سه‌لوله‌ای، نتایج عددی حاصل از حالت‌های مختلف با طول موج‌ها و دامنه‌های گوناگون با نتایج عددی حالت بدون صفحۀ میانی مقایسه شده‌اند. بدین منظور عملکرد سیستم ذخیرۀ حرارتی با مقایسۀ توزیع‌های کسر حجمی سیال و دمای مادۀ تغییر فازدهنده، نرخ ذخیرۀ حرارتی و زمان ذوب حالت‌های مختلف ارزیابی شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی نشان می‌دهند که در حضور صفحۀ میانی سینوسی با طول موج متغیر، دمای ذوب و انرژی حرارتی ذخیره‌شده به‌میزان 59/67 و 200 درصد نسبت به حالت در غیاب صفحۀ میانی به‌ترتیب کاهش و افزایش می‌یابند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Farzan, H., Zaim, E.H., Ameri, M., Amiri, T., "Study on effects of wind velocity on thermal efficiency and heat dynamics of pavement solar collectors: An experimental and numerical study", Renewable Energy, Vol. 163, pp. 1718–1728, 2021, https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.10.087.
[2] Farzan, H., Zaim, E.H., Amiri, T., "Performance study on a new solar air heater with integrated phase change materials and external recycle: A numerical and experimental study", Applied Thermal Engineering, Vol. 223, 2023, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120000.
[3] Farzan, H., Zaim, E.H., "Study on thermal performance of a new combined perforated Metallic/Asphalt solar air heater for heating Applications: An experimental study", Solar Energy, Vol. 249, pp. 485–494, 2023, https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.12.008.
[4] Abdulrahman, R. S., Ibrahim, F. A., Dakhil, S. F., "Development of paraffin wax as phase change material based latent heat storage in heat exchanger", Applied Thermal Engineering, Vol. 150, pp. 193–199, 2019, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.149.
[5] Arshad, A., Jabbal, M., Sardari, P. T., Bashir, M. A., Faraji, H., Yan, Y., "Transient simulation of finned heat sinks embedded with PCM for electronics cooling", Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 18, 2020, https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100520.
[6] Dinker, A., Agarwal, M., Agarwal, G. D., "Heat storage materials, geometry and applications: A review", Journal of the Energy Institute, Vol. 90, No. 1, pp. 1–11, 2017, https://doi.org/10.1016/j.joei.2015.10.002.
[7] Agyenim, F., Eames, P., Smyth, M., "Heat transfer enhancement in medium temperature thermal energy storage system using a multitube heat transfer array", Renewable Energy, Vol. 35, No. 1, pp. 198–207, 2010, https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.03.010.
[8] Darzi, A. R., Farhadi, M., Sedighi, K., "Numerical study of melting inside concentric and eccentric horizontal annulus", Applied Mathematical Modelling, Vol. 36, No. 9, pp. 4080–4086, 2012, https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.11.033.
[9] Lotfi, B., Sundén, B., Wang, Q., "An investigation of the thermo-hydraulic performance of the smooth wavy fin-and-elliptical tube heat exchangers utilizing new type vortex generators", Applied Energy, Vol. 162, pp. 1282–1302, 2016, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.07.065.
[10]Abdollahzadeh, M., Esmaeilpour, M., "Enhancement of phase change material (PCM) based latent heat storage system with nano fluid and wavy surface", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 80, pp. 376–385, 2015, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.007.
[11] Shahsavar, A., Al-Rashed, A.A.A.A., Entezari, S., Sardari, P.T., "Melting and solidification characteristics of a double-pipe latent heat storage system with sinusoidal wavy channels embedded in a porous medium", Energy, Vol. 171, pp. 751–769, 2019, https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.045.
[12]Shahsavar, A., Khosravi, J., Mohammed, H. I., Sardari, P. T., "Performance evaluation of melting/solidification mechanism in a variable wave-length wavy channel double-tube latent heat storage system", Journal of Energy Storage, Vol. 27, 2020, https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101063.
[13]Shahsavar, A., Shaham, A., Sardari, P.T., "Wavy channels triple-tube LHS unit with sinusoidal variable wavelength in charging/discharging mechanism", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 107, pp. 93–105, 2019, https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.05.012.
[14]Shahsavar, A., Majidzadeh, A.H., Mahani, R.B., Sardari, P.T., "Entropy and thermal performance analysis of PCM melting and solidification mechanisms in a wavy channel triplex-tube heat exchanger", Renewable Energy, Vol. 165, pp. 52–72, 2021, https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.11.074.
[15] Eisapour, M., Eisapour, A.H., Shafaghat, A.H., Mohammed, H. I., Sardari, P.T., Chen, Z., "Solidification of a nano-enhanced phase change material (NePCM) in a double elliptical latent heat storage unit with wavy inner tubes", Solar Energy, Vol. 241, pp. 39–53, 2022, https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.05.054.
[16] Boujelbene, M., Mohammed, H.I., Majdi, H. Sh., Babaei-Mahani, R., Sardari, P.T., Rahbari, A., "Melting performance of nano-enhanced phase change materials in a triple-tube heat exchanger with zigzag-shaped tubes", Journal of Energy Storage, Vol. 67, 2023, https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107484.
[17] Eisapour, A.H., Shafaghat, A.H., Mohammed, H.I., Eisapour, M., Sardari, P.T., Brambilla, A., Fung, A.S., "A new design to enhance the conductive and convective heat transfer of latent heat thermal energy storage units", Applied Thermal Engineering, Vol. 215, 2022, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118955.
[18] Iranmanesh, A., "Intensifying the melting process of a triple-tube latent heat energy storage unit via inserting a middle plate into the phase change material container", Journal of Energy Storage, Vol. 56, 2022, https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105982.
[19] Iranmanesh, A., "Numerical study on discharging process of a latent heat triple-tube heat exchanger in the presence of a central plate using the enthalpy–porosity approach", Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2023, 10.1007/s10973-023-12341-8.
[20] GmbH, R. T., "RT35 data sheet".
[21] Benbrika, M., Teggar, M., Benbelhout, M., Ismail, K.A.R., "Numerical Study of N-Eicosane Melting Inside a Horizontal Cylinder for Different Loading Rates", International Journal of Heat and Technology, Vol. 38, No. 1, pp. 125–130, 2020.
[22] Esapour, M., Hamzehnezhad, A., Darzi, R.A.A., Jourabian, M., "Melting and solidification of PCM embedded in porous metal foam in horizontal multi-tube heat storage system", Energy Conversion and Management, Vol. 171, pp. 398–410, 2018, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.05.086.
[23] Elmozughi, A.F., Solomon, L., Oztekin, A., Neti, S., "Encapsulated phase change material for high temperature thermal energy storage – heat transfer analysis", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 78, pp. 1135–1144, 2014, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.07.087.
[24] Sardari, P.T., Walker, G.S., Gillott, M., Grant, D., Giddings, D., "Numerical modelling of phase change material melting process embedded in porous media: Effect of heat storage size", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, Vol. 234, No. 3, pp. 365–383, 2019, 10.1177/0957650919862974.
[25] Mat, S., Al-Abidi, A. A., Sopian, K., Sulaiman, M. Y., Mohammad, A.T., "Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal–external fins", Energy Conversion and Management, Vol. 74, pp. 223–236, 2013, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.05.003.