SUPERVISOR
Nasser Hamdami,Ahmad Moheb,Javad Keramat,Mohammad Shahedi bagh khandan
ناصر همدمی (استاد راهنما) احمد محب (استاد مشاور) جواد کرامت (استاد راهنما) محمد شاهدی باغ خندان (استاد مشاور)
STUDENT
Moulood Noorani
مولود نورانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389
TITLE
Efficiency Increasing of an Indirect Solar Dryer Using Energy Storage system Based on Phase Change Materials (Paraffin and Bitumen), and Study of the Thermal Properties and Physical Stability of Nano Al2O3-paraffin Composite
In this work paraffin and bitumen were used as the phase change materials to store solar energy during the drying process of banana and the effect of the energy storage system on temperature profiles, drying kinetics and quality attributes of the samples was investigated. The results showed that using phase change materials is an effective way to reduce the thermal fluctuation during the day and the drying process would continue at night when a thermal energy storage system was used. It was found that the control sample (without using phase change materials) had the higher a*, total color change and browning index and lower L*, b, chroma and hue angle as compared to the samples dried using energy storage system. So, it can be concluded that using phase change materials could enhance the quality attributes of the dried samples. In the second phase of this study, nanoalumina was used to enhance the thermal efficiency of paraffin and the nano composite phase change materials (NCPCM) were prepared using sodium stearoyl lactylate (SSL) as a surfactant. To evaluate the efficiency of the prepared PCMs, the melting rate of them at a temperature range of 50-60 o C and the effective thermal conductivity values in the solid and liquid states at a temperature range of 25-75 o C were measured using the k-type thermocouple and the transient hot wire technique, respectively. The heat storage behavior of the samples was investigated and their melting temperature, latent heat, and thermal reliability were determined using differential scanning calorimetry (DSC). Results showed that effective thermal conductivity enhancement ratios for the sample containing 10.0 wt.% nano-Al 2 O 3 were 31% and 13% in the solid and liquid states, respectively. In addition, melting rate increased by 27%. As expected, all the PCMs showed good thermal reliability after 120 melting/freezing cycles. For NCPCM stability evaluation, the change ratios of surface layer Al 3+ concentration were determined using a spectrophotometer and Al 2 O 3 concentrations were calculated. Also, image analysis was used for evaluating the stability of nanofluids.Using these methods, it was found that the prepared NCPCMs containing 2.5, 5, 7.5, and 10 wt% nanoAl 2 O 3 are stable for 5 days or after 15, 5, 5, and 5 phase change cycles. Based on our results, it may be concluded that the prepared PCMs containing 2.5 and 5% nanoalumina can be regarded as effective heat storage materials for application in energy storage systems. Keywords: Phase change materials, Stability, Drying, Thermal conductivity, Image analysi
استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی در فرآیندهای متفاوت، همانند خشک کردن محصولات کشاورزی، راه مناسبی برای غلبه بر مشکلات استفاده از سوختهای فسیلی است. نوسانات دمایی و زمان کوتاه استفاده از انرژی خورشیدی دو نقطه ضعف مهم جهت کاربرد خشک کن های آفتابی برای محصولات کشاورزی و مواد غذایی هستند. استفاده از سیستمهای ذخیره انرژی بر مبنای مواد تغییرفازدهنده راه حل مناسبی برای رفع این مشکلات می باشد. به همین منظور در بخش اول این تحقیق از پارافین و قیر به عنوان مواد تغییرفازدهنده برای ذخیره انرژی در خشک کن آفتابی استفاده شده و اثر آنها بر پروفیل دمایی، سینتیک خشک شدن و خصوصیات کیفی موز مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از پارافین و قیر در گرفتن نوسانات دمایی هوای ورودی موثر می باشد. همچنین مشاهده شد که در شب دمای هوای خروجی از کلکتور (بعد از ماده تغییر فاز دهنده) از دمای هوای میانه کلکتور (قبل از ماده تغییر فاز دهنده) بالاتر می باشد. این امر منجر به افزایش ساعات استفاده از خشک کن طی شبانه روز در مقایسه با سیستمهای بدون ذخیره انرژی می شود. از طرف دیگر کیفیت ظاهری نمونه های خشک شده با استفاده از خشک کن دارای سامانه ذخیره انرژی بر مبنای مواد تغییرفازدهنده، بهتر از نمونه های شاهد (بدون سامانه ذخیره انرژی) بود. طی خشک کردن با گذشت زمان و افت رطوبت شاخصهای L*، b*، کروما و زاویه هیو کاهش و شاخص a*، تغییر رنگ کلی و شاخص قهوهای بودن افزایش یافتند. نتایج ارزیابی رنگ نمونه ها نشان داد که نمونه های شاهد در مقایسه با نمونه های تهیه شده با خشک کن دارای سامانه ذخیره انرژی، تغییر رنگ شدیدتری را متحمل شده اند. با وجود نقش قابل توجه پارافین و قیر در ذخیره انرژی، هدایت حرارتی پایین این مواد کارایی حرارتی سیستم ذخیره انرژی را کاهش می دهد. به همین دلیل در بخش دوم مطالعه برای بهبود کارایی حرارتی پارافین از نانواکسیدآلومینیوم در غلظتهای 5/2، 5، 5/7 و 10 درصد برای افزایش هدایت حرارتی استفاده شد. با توجه به تمایل نانوذرات اکسید آلومینیوم به ته نشینی در پارافین، SSL برای افزایش پایداری نانوذرات مورد استفاده قرار گرفت. سرعت گرم شدن و هدایت حرارتی به ترتیب توسط ترموکوپل K و روش سیم داغ اندازه گیری شدند. از DSC برای ارزیابی پایداری حرارتی نمونه ها (دمای ذوب و آنتالپی تغییر فاز) طی سیکلهای تغییر فاز متناوب استفاده شد. نتایج آزمایشات نشان داد که هدایت حرارتی مواد تغییر فاز دهنده، وابسته به دما بوده و با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می یابد. افزودن نانواکسیدآلومینیوم هدایت حرارتی کامپوزیتها را به میزان 31 و 13 درصد در حالتهای جامد و مایع افزایش داد. از طرفی سرعت گرم شدن به میزان 27 درصد افزایش یافت. افزودن SSL می تواند نقش مهمی در پایداری نانوذرات و اطمینان از کارایی آنها طی فرایند داشته باشد. برای تایید این موضوع از روشهای اسپکتروفوتومتری و پردازش تصویر استفاده شد. نتایج بررسیها حکایت از پایداری بهتر نمونه ها (بیش از 70 درصد) بعد از 5 روز داشت. در پایان، بر اساس نتایج دلگرم کننده به دست آمده در این تحقیق همانند پایداری بهتر و ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی بالاتر مواد تغییر فاز دهنده حاوی 5/2 و 5 درصد نانو اکسید آلومینیوم، استفاده از این کامپوزیتها در سامانه های ذخیره انرژی خورشیدی مانند خشک کنهای آفتابی توصیه میشود. کلمات کلیدی: مواد تغییرفازدهنده، پایداری، خشک کردن، هدایت حرارتی، آنالیز تصویر