مطالعۀ عددی تأثیر فین‌های پله‌ای بر بهبود عملکرد یک سیستم ذخیرۀ حرارتی در حضور صفحۀ میانی و محیط متخلخل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولیعصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

در این پژوهش به بررسی تأثیر جهت و اندازۀ فین‌های پله‌ای بر بهبود عملکرد یک مبدل حرارتی سه‌لوله‌ای قائم در حضور صفحۀ میانی و محیط متخلخل پرداخته می‌شود. فرایند تغییر فاز سیستم ذخیرۀ حرارتی با استفاده از روش انتالپی-تخلخل نرم‌افزار انسیس فلوئنت 2020 شبیه‌سازی شده است. دمای اولیه و دمای سیال داغ گذرنده از مبدل حرارتی به‌ترتیب برابر با 15 و 50 درجۀ سانتی‌گراد است. همچنین عدد رینولدز سیال داغ گذرنده از مبدل حرارتی برابر با 1000 در نظر گرفته شده است. برای بررسی میزان تأثیر جهت و اندازۀ فین‌های پله‌ای بر بهبود راندمان حرارتی سیستم ذخیرۀ انرژی، کانتورهای کسر حجمی سیال و دمای مادۀ تغییر فازدهنده در حالت مادۀ تغییر فازدهندۀ خالص و همچنین مادۀ تغییر فازدهنده در بستر محیط متخلخل باهم مقایسه شده‌اند. با توجه به نتایج عددی به‌دست‌آمده، تأثیر مشخصات هندسی و جهت فین‌های پله‌ای بر بهبود فرایند تغییر فاز سیستم مذکور در حالت مادۀ تغییر فازدهندۀ خالص بیشتر از مادۀ تغییر فازدهنده در بستر محیط متخلخل است. همچنین میزان انرژی ذخیره‌شده در حالت مادۀ تغییر فازدهنده در بستر محیط متخلخل (حالت 3) نسبت به حالت مادۀ تغییر فازدهندۀ خالص 69/166 درصد افزایش خواهد یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Khanlari, A., Aytaç, İ., Tuncer, A.D., Variyenli, H.İ., Şahin, H.N., "Improving the performance of a PCM integrated solar air collector by adding porous fins over the bottom side of the absorber: A transient CFD study", J Energy Storage, Vol. 90, pp. 111847, 2024. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111847.
[2]   NematpourKeshteli, A., Iasiello, M., Langella, G., Bianco, N., "Using metal foam and nanoparticle additives with different fin shapes for PCM-based thermal storage in flat plate solar collectors", Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 52, pp. 102690, 2024. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102690.
[3]   Abdulrahman, R.S., Ibrahim, F.A., Dakhil, S.F., "Development of paraffin wax as phase change material based latent heat storage in heat exchanger", Appl Therm Eng, Vol. 150, pp. 193–199, 2019. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.149.
[4]   Sharma, A., Tyagi, V. V, Chen, C.R., Buddhi, D., "Review on thermal energy storage with phase change materials and applications", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13, pp. 318–345, 2009. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.10.005.
[5]   Jafarian, M., Omid, M., Khanali, M., Mokhtari, M., "Investigation of the Effect of Copper and Aluminiumoxide Nanoparticles on the Thermal Energy Storage Capability of Phase Change Material", Energy Engineering and Management, Vol. 10, pp. 78–89, 2023. https://doi.org/10.22052/10.3.78.
[6]   Dinker, A., Agarwal, M., Agarwal, G.D., "Heat storage materials, geometry and applications: A review", Journal of the Energy Institute, Vol. 90, pp. 1–11, 2017. https://doi.org/10.1016/j.joei.2015.10.002.
[7]   Wang, K., Vafai, K., Li, P., Cen, H., "Forced Convection in a Bidisperse Porous Medium Embedded in a Circular Pipe", J Heat Transfer, Vol. 139, 2017. https://doi.org/10.1115/1.4036574.
[8]   Mohammed, H.I., Talebizadehsardari, P., Mahdi, J.M., Arshad, A., Sciacovelli, A., Giddings, D., "Improved melting of latent heat storage via porous medium and uniform Joule heat generation", J Energy Storage, Vol. 31, pp. 101747, 2020. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101747.
[9]   Zhang, H., Baeyens, J., Cáceres, G., Degrève, J., Lv, Y., "Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects", Prog Energy Combust Sci, Vol. 53, pp. 1–40, 2016. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2015.10.003.
[10] Nomura, T., Okinaka, N., Akiyama, T., "Impregnation of porous material with phase change material for thermal energy storage", Mater Chem Phys, Vol. 115, pp. 846–850, 2009. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2009.02.045.
[11] Liu, Z., Yao, Y., Wu, H., "Numerical modeling for solid–liquid phase change phenomena in porous media: Shell-and-tube type latent heat thermal energy storage", Appl Energy, Vol. 112, pp. 1222–1232, 2013. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.02.022.
[12] Zhao, C.Y., Lu, W., Tian, Y., "Heat transfer enhancement for thermal energy storage using metal foams embedded within phase change materials (PCMs) ", Solar Energy, Vol. 84, pp. 1402–1412, 2010. https://doi.org/10.1016/j.solener.2010.04.022.
[13] Li, Z., Shahsavar, A., Al-Rashed, A.A.A.A., Talebizadehsardari, P., "Effect of porous medium and nanoparticles presences in a counter-current triple-tube composite porous/nano-PCM system", Appl Therm Eng, Vol. 167, pp. 114777, 2020. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114777.
[14] Jaberi, A., Hossainpour, S., Kiyoumarsioskouei, A., "The impact of utilizing porous fins on the performance of PCM melting process in a horizontal Latent Heat Thermal Energy Storage", J Energy Storage, Vol. 97, pp. 112893, 2024. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.112893.
[15] Buonomo, B., Manca, O., Nardini, S., Plomitallo, R.E., "Numerical study on latent heat thermal energy storage system with PCM partially filled with aluminum foam in local thermal equilibrium", Renew Energy, Vol. 195, pp. 1368–1380, 2022. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.06.122.
[16] Saini, P., Dhar, A., Powar, S., Doddamani, M., "Cesaro fins parametric optimization for enhancement in the solidification performance of a latent heat storage system with combined fins, foam, and nanoparticle", Energy Reports, Vol. 9, pp. 5670–5687, 2023. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.04.375.
[17] Iranmanesh, A., Moshizi,S. A., "Enhancing melting and solidification characteristics of a triple-pipe latent heat energy storage system via a wavy central wall with a sinusoidal fixed wavelength", J Energy Storage, Vol. 79, pp. 110218, 2024. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.110218.
[18] Abdi, A., Martin, V., Chiu, J.N.W., "Numerical investigation of melting in a cavity with vertically oriented fins", Appl Energy, Vol. 235, pp. 1027–1040, 2019. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.11.025.
[19] Nakhchi, M.E., Esfahani, J.A., "Improving the melting performance of PCM thermal energy storage with novel stepped fins", J Energy Storage, Vol. 30, pp. 101424, 2020. https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101424.
[20] Agyenim, F., Eames, P., Smyth, M., "Heat transfer enhancement in medium temperature thermal energy storage system using a multitube heat transfer array", Renew Energy, Vol. 35, pp. 198–207, 2010. https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.03.010.
[21] 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", J Energy Storage, Vol. 56, pp. 105982, 2022. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105982.
[22] 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 Convers Manag, Vol. 74, pp. 223–236, 2013. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.05.003.
[23] Mahdi, J.M., Nsofor, E.C., "Melting enhancement in triplex-tube latent heat energy storage system using nanoparticles-metal foam combination", Appl Energy, Vol. 191, pp. 22–34, 2017. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.036.
[24] Zhang, P., Xiao, X., Meng, Z.N., Li, M., "Heat transfer characteristics of a molten-salt thermal energy storage unit with and without heat transfer enhancement", Appl Energy, Vol. 137, pp. 758–772, 2015. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.004.