مهندسی و مدیریت انرژی

مهندسی و مدیریت انرژی

مطالعه عددی تأثیر ماده تغییر‌فاز‌دهنده چندگانه بر بهبود عملکرد یک سیستم ذخیره حرارتی در حضور صفحه میانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ولیعصر رفسنجان، کرمان، ایران
چکیده
در مطالعه حاضر، شبیه‌سازی عددی فرایند ذوب یک مبدل حرارتی سه لوله‌ای قائم در حضور ماده تغییر فازدهنده چندگانه و صفحه میانی موردمطالعه قرار گرفته است. شبیه‌سازی عددی در نرم‌افزار انسیس فلوئنت 2020 با استفاده از روش آنتالپی- تخلخل مدل‌سازی شده است. دمای سیال داغ گذرنده از مبدل حرارتی 50 درجه سانتی‌گراد و دمای اولیه مبدل حرارتی 15 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. جریان سیال داغ گذرنده از سیستم ذخیره حرارتی به‌صورت غیرهمسو از مجراهای داخلی و خارجی عبور می‌کند. رژیم جریان عبور از مبدل حرارتی آرام فرض شده است. برای ارزیابی میزان تأثیر ماده تغییر فازدهنده چندگانه و صفحه میانی بر بهبود کارایی حرارتی سیستم ذخیره انرژی، کانتورهای دمای ماده تغییر فازدهنده و کسر حجمی سیال برای ماده تغییر فازدهنده چندگانه و ماده تغییر فازدهنده تک در حالات مختلف با هم مقایسه شده‌اند. بر اساس نتایج عددی گزارش شده، استفاده هم‌زمان از ماده تغییر فازدهنده چندگانه (ماده تغییر فازدهنده با دمای ذوب کمتر در محفظه داخلی و ماده تغییر فازدهنده با دمای ذوب بیشتر در محفظه بیرونی) و همچنین صفحات بالایی، پایینی و میانی سبب افزایش انرژی حرارتی ذخیره‌شده در مبدل حرارتی تا 41/158% خواهد شد.
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", Journal of Energy Storage, Vol. 90, p. 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, p. 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", Applied Thermal Engineering, 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]   Iranmanesh, A. Ghorbani, A. Farzan, H. "Numerical Study on the Effects of Step Fins on Improving the Performance of a Heat Storage Unit in the Presence of a Middle Plate and Porous Medium", Energy Engineering and Management, Vol. 14, pp. 70–87, 2025, https://doi.org/10.22052/eem.2025.255727.1093.
[6]   Laouer, A. Teggar, M. Tunçbilek, E. Arıcı, M. Hachani, L. Ismail, K.A.R. "Melting of hybrid nano-enhanced phase change material in an inclined finned rectangular cavity for cold energy storage", Journal of Energy Storage, Vol. 50, pp. 104185, 2022, https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104185.
[7]   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", Applied Thermal Engineering, Vol. 167, pp. 114777, 2020, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114777.
[8]   Mahdi, J.M. Mohammed, H.I. Talebizadehsardari, P. "A new approach for employing multiple PCMs in the passive thermal management of photovoltaic modules", Solar Energy, Vol. 222, pp. 160–174, 2021, https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.04.044.
[9]   Aldoss, T.K. Rahman, M.M. "Comparison between the single-PCM and multi-PCM thermal energy storage design", Energy Conversion and Management, Vol. 83, pp. 79–87, 2014, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.047.
[10] Peiró, G. Gasia, J. Miró, L. Cabeza, L.F. "Experimental evaluation at pilot plant scale of multiple PCMs (cascaded) vs. single PCM configuration for thermal energy storage", Renewable Energy, Vol. 83, pp. 729–736, 2015, https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.05.029.
[11] Ghosh, A.K. Halder, P. "Parametric study and performance evaluation of a multi-layered twin PCM-based vertical thermal energy storage system", Journal of Thermal Engineering, Vol. 11, pp. 1520–1539, 2025, https://doi.org/10.14744/thermal.0000991.
[12] Akbarzadeh, S. Dehghan, M. Ali, H.M. "Heat Transfer Augmentation Techniques for Phase Change Materials", Phase Change Materials for Thermal Energy Management and Storage, CRC Press, pp. 130–181, 2024.
[13] Ezra, M. Kozak, Y. Dubovsky, V. Ziskind, G. "Analysis and optimization of melting temperature span for a multiple-PCM latent heat thermal energy storage unit", Applied Thermal Engineering, Vol. 93, pp. 315–329, 2016, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.09.040.
[14] Kareem, B.E. Adham, A.M. Yaqob, B.N. "Design and Optimization of Air to PCM Heat Exchanger Using CFD", Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 48, pp. 12609–12623, 2023, https://doi.org/10.1007/s13369-022-07360-w.
[15] Al Siyabi, I. Khanna, S. Mallick, T. Sundaram, S. "Experimental and numerical study on the effect of multiple phase change materials thermal energy storage system", Journal of Energy Storage, Vol. 36, pp. 102226, 2021, https://doi.org/10.1016/j.est.2020.102226.
[16] Aviles, D. Zanetti, E. Mancin, S. Hooman, K. "Multi-layered thermal energy storage using phase change materials and molten salt for high-temperature waste heat recovery", Journal of Energy Storage, Vol. 163, pp. 121873, 2026, https://doi.org/10.1016/j.est.2026.121873.
[17] 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.
[18] Mahdi, J.M. Nsofor, E.C. "Melting enhancement in triplex-tube latent heat energy storage system using nanoparticles-metal foam combination", Applied Energy, Vol. 191, pp. 22–34, 2017, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.036.
[19] 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", Applied Energy, Vol. 137, pp. 758–772, 2015, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.004.
[20] Huang, M.J. "The effect of using two PCMs on the thermal regulation performance of BIPV systems", Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 95, pp. 957–963, 2011, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.11.032.