Skip to main content
SUPERVISOR
AliAkbar AlemRajabi,Ebrahim Shirani
علی اکبر عالم رجبی (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
SADEGH MOTAHAR
صادق مطهر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388

TITLE

Determining Properties and Heat Transfer in Phase Change Materials Containing Nanostructured Materials Using Experimental Method
A BSTRACT Phase change materials (PCM) are extensively employed as thermal energy storage media in solar thermal energy storage, efficient buildings, and thermal protection of electronics. The most important problem in using PCMs (especially organic PCMs) is their low thermal conductivity that drastically affects the rate of phase change process (melting and solidification of PCM). In the recent years by the development in nanotechnology, high thermal conductivity nanostructured materials have been produced. In the present study, thermal conductivity and rheological behavior of n-octadecane with dispersed nanostructured materials including mesoporous silica (MPSiO 2 ), titanium(IV) oxide (TiO 2 ), carbon nanotubes (MWCNTs) and carbon nanofibers (CNFs) at various particle mass fractions and temperatures are experimentally investigated. A maximum thermal conductivity enhancement of almost 5% for TiO 2 and MPSiO 2 were experimentally obtained. MWCNTs and CNFs enhance the thermal conductivity of PCM up to 40% and 20%, respectively. The experimental results on the viscosity showed that for mass fractions of MPSiO 2 and TiO 2 nanoparticles greater than 3% in liquid PCM, the behavior of liquid is non-Newtonian. Also, the viscosity of PCM containing nanoparticles was measured to be increased compared to the liquid PCM. An enclosure with a constant heat flux wall was used to evaluate the melting process. The solid-liquid interfaces were captured and the instantaneous liquid fraction was presented. The effect of natural convection on melting process was studied in terms of the molten fraction and the shape of the solid–liquid interface. The correlations of molten fraction and Nusselt number were obtained and showed that the melting rate would decrease by dispersing TiO 2 nanoparticles in n-octadecan. Solidification experiment was performed using the same enclosure with constant wall temperatures. It was obtained that conduction is the dominant heat transfer mechanism in solidification. The results interestingly represented the improvement in solidification by adding nanoparticles. K EYWORDS Phase change materials, nanostructured materials, thermal conductivity, viscosity, melting heat transfer, solidification.
مواد تغییر فاز دهنده به عنوان محیطهای ذخیره انرژی گرمایی دارای کاربردهای گسترده‌ای در ذخیره انرژی خورشیدی، مدیریت انرژی ساختمان و دفع شوکهای گرمایی قطعات الکترونیکی هستند. به دلیل پایین بودن ضریب هدایت گرمایی این مواد تلاشهای زیادی برای افزایش ضریب هدایت گرمایی و کارآیی سیستمهای ذخیره انرژی گرمایی شده است. از طرفی، با توسعه فناوری نانو، تولید مواد نانوساختاری که دارای ضریب هدایت گرمایی بالایی هستند میسر شده است. در این پژوهش تأثیر پراکنش مواد نانوساختار روی ویژگیهای گرمایی و انتقال گرما در مواد تغییر فاز دهنده حاوی مواد نانوساختار به صورت تجربی بررسی شده است. مواد نانوساختار مزو پروس سیلیکا، تایتانیا، نانولوله‌های کربنی و نانوفیبرهای کربنی در کسر جرمیهای مختلف در ان-اکتادکان به عنوان ماده تغییر فاز دهنده پراکنده شده و ضریب هدایت گرمایی و ویژگیهای رئولوژیکی مواد حاصل در یک گستره دمایی اندازه‌گیری شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که افزودن مزو پروس سیلیکا و تایتانیا ضریب هدایت گرمایی را در فاز جامد و مایع حدود 5% افزایش می‌دهد. مضاف بر اینکه ضریب هدایت در فاز جامد به صورت غیریکنواخت با کسر جرمی تغییر می‌کند. بیشترین افزایش ضریب هدایت برای مواد نانوساختار پایه کربن به دست آمد که بین 20% تا 40% است. بررسی رفتار رئولوژیکی ان-اکتادکان حاوی مزوپروس سیلیکا و تایتانیا نشان می‌دهد که در کسر جرمی بزرگتر از 1% رفتار ماده تغییر فاز دهنده غیرنیوتنی شده است به طوریکه برای ان-اکتادکان حاوی مزوپروس سیلیکا و تایتانیا به ترتیب رفتار قانون توان و سیال بینگهام برای کسر جرمی بزرگتر از 1% به دست آمد. همچنین افزودن مواد نانوساختار باعث افزایش لزجت ماده تغییر فاز دهنده در فاز مایع می‌شود. برای بررسی اثر افزودن نانوذرات روی انتقال گرما حین فرایند ذوب آزمایشی ترتیب داده شد که در آن از ان-اکتادکان حاوی نانوذرات تایتانیا در کسر جرمیهای مختلف استفاده شد. تغییرات ضریب انتقال گرما وکسر حجمی ماده تغییر فاز دهنده مذاب با زمان نشان داد که افزودن نانوذرات با کاهش جابجایی طبیعی انتقال گرما حین ذوب را کاهش می‌دهد و بنابراین کسر حجمی ماده تغییر فاز دهنده با افزودن نانوذرات کاهش می‌یابد. بررسی تحربی فرایند انجماد ان-اکتادکان حاوی نانوذرات تایتانیا نشان داد که کاهش جابجایی طبیعی و افزایش هدایت گرمایی که با افزودن نانوذرات حاصل می‌شود منجر به بهبود نرخ انجماد خواهد شد. کلمات کلیدی: مواد تغییر فاز دهنده، مواد نانوساختار، ضریب هدایت گرمایی، لزجت، فرایند ذوب، فرایند انجماد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی