Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,AliAkbar AlemRajabi
محمدرضا سلیم پور (استاد مشاور) علی اکبر عالم رجبی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Norouzi
محمد نوروزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Constructal Design of Fin to Improve Heat Transfer in PCM Capsules
Thermal energy storage (TES) systems based on phase change materials (PCM) have a specific place in industry and daily life. The TES systems store energy using PCM's latent heat which are packed within sealed container in the system. Due to the increasing development of these systems, the optimization issue in them is vital. In the present work, a spherical capsule containing RT-50 as a PCM was simulated and its constrained melting process was investigated. To improve heat transfer during the melting process, a circumferentially fin with a ?-shaped configuration inside the spherical capsule was used. The configuration of the fin was defined with several geometric characteristics and their change effect on the fin performance were investigated. After that, the optimal fin configuration in terms of complete melting duration (CMD) of the PCM was obtained by using constructal design theory and a special introduced algorithm. The advantage of this algorithm is a significant reduction in computational costs that can be used in optimization studies. Numerical solution was validated using experimental data, and the result was in good agreement with them. The results revealed that by using the optimized configuration fin with a volume percentage of 1.5%, the CMD decreases more than 41% compared to the unfinned capsule, which is equivalent to the efficiency of 1.68 for this configuration. In addition to this, the CMD decreases further by increasing fin volume. So that the fins with volume percentage of 2.5%, 3.5% and 4.5% reduce the CMD by 44.3%, 46% and 48%, respectively. However, due to the fact that the total volume of the capsule is constant, increasing the amount of fin reduces the volume of the PCM and the storage capacity, consequently. Hence, according to the aim of TES system which is faster performance or more storage capacity, optimal fin percentage to be selected. Keywords: Thermal energy storage system, Phase change materials, constrained melting, Constructal theory, Fin, Heat transfer optimization, spherical capsule
سیستم‌‌های ذخیره انرژی حرارتی مبتنی بر مواد تغییرفازدهنده امروزه جایگاه ویژه‌ای در صنعت و زندگی روزمره انسان‌ها دارد. این سیستم‌ها با استفاده از انرژی نهان ماده تغییرفازدهنده که در یک محفظه بسته در سیستم نگه‌داری می‌شود، انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. با توجه به توسعه روزافزون این سیستم‌ها بحث بهینه‌سازی در آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. درکار حاضر یک محفظه کروی حاوی ماده تغییرفازدهنده RT-50 شبیه‌سازی شده و فرآیند ذوب مقید ماده تغییرفازدهنده در آن مورد بررسی قرار گرفت. برای بهبود انتقال حرارت طی فرآیند تغییر فاز، از یک پره مدوّر با ساختار ?-شکل داخل محفظه استفاده شد. پیکربندی این پره با استفاده از چند مشخصه هندسی تعریف و تاثیر تغییرات هر یک از این مشخصه‌ها روی عملکرد پره بررسی شد. سپس به‌کمک تئوری طراحی ساختاری و با استفاده از یک الگوریتم خاص معرفی شده، بهینه‌ترین ساختار پره از نظر زمان ذوب کامل ماده تغییرفازدهنده بدست آمد. مزیت این الگوریتم کاهش قابل توجه در هزینه‌های محاسباتی است که می‌توان در مطالعات بهینه‌سازی از آن استفاده کرد. روش حل عددی مسئله با استفاده از داده‌های تجربی صحت‌سنجی شد که نتایج حاصل از آن تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت. نتایج بدست آمده حاکی از این بود که با استفاده از پره بهینه‌شده با درصد حجمی 1?5%، زمان ذوب کامل ماده تغییرفازدهنده بیش از 41% نسبت به محفظه بدون پره کاهش می‌یابد که معادل کارایی 1?68 برای این پره است. همچنین با افزایش مقدار حجم پره این کاهش در زمان ذوب، بیشتر هم می‌شود. به‌طوری که پره‌های 2?5% حجمی، 3?5% حجمی و 4?5% حجمی، زمان ذوب کامل ماده تغییرفازدهنده را به ترتیب 44?3%، 46% و 48% کاهش می‌دهند. با این حال اما با توجه به اینکه حجم کل محفظه ثابت است، افزایش مقدار پره سبب کاهش حجم ماده تغییرفازدهنده و در نتیجه کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی می‌شود که با توجه به هدف سیستم ذخیره انرژی حرارتی، عملکرد سریع‌تر یا ظرفیت ذخیره‌سازی بیشتر، باید مقدار مطلوب درصد پره انتخاب شود. کلمات کلیدی: سیستم ذخیره انرژی حرارتی، ماده تغییرفازدهنده، ذوب مقید، تئوری ساختاری، پره، بهینه‌سازی انتقال حرارت، محفظه کروی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی