مقدمه
در دنیای امروز، افزایش مصرف انرژی و نیاز به استفاده بهینه از منابع طبیعی، اهمیت فناوریهای پایدار را بیش از پیش آشکار کرده است. سیستمهای فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV) بهعنوان یکی از فناوریهای پیشرفته در حوزه انرژی خورشیدی شناخته میشوند. با این حال، این سیستمها مقدار زیادی گرما تولید میکنند که اگر مدیریت نشود، میتواند بازدهی آنها را کاهش دهد. پروژه حاضر بهمنظور پاسخ به این چالش و استفاده بهینه از انرژی، طراحی و تحلیل یک مبدل حرارتی میکرو کانالی را هدف قرار داده است.
این پروژه به تحلیل حرارتی و بهینهسازی یک مبدل حرارتی میکرو کانالی اختصاص دارد که برای بازیابی گرمای هدررفته از ماژولهای فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV) طراحی شده است. این پروژه با هدف کاهش مصرف انرژی، کمک به محیط زیست و استفاده بهینه از منابع انرژی انجام شده است. با استفاده از شبیهسازی عددی و تحلیل تجربی، عملکرد حرارتی این مبدل در شرایط مختلف جریان جرمی بررسی شد. این پروژه، با نرمافزار COMSOL Multiphysics نسخه 6.2 انجام شده و نتایج، امکان استفاده از گرمای بازیافتی در فرآیندهای ثانویه را تأیید میکند.
اهداف تحقیق
- طراحی و تحلیل مبدل حرارتی میکرو: این تحقیق به توسعه و شبیهسازی یک مبدل حرارتی میکرو اختصاص دارد که بتواند گرمای زباله تولیدشده در سیستمهای HCPV را بازیابی کند.
- اعتبارسنجی نتایج عددی با دادههای تجربی: برای اطمینان از دقت مدلسازی، نتایج شبیهسازی با دادههای تجربی مقایسه شده و میزان انطباق آنها ارزیابی شده است.
- تحلیل اثر شرایط عملیاتی: تأثیر پارامترهایی نظیر نرخ جریان جرمی سیال خنککننده و ویژگیهای فیزیکی هندسه بر عملکرد مبدل بررسی شده است.
متدولوژی و مراحل اجرا
شبیهسازی هندسی: هندسه مبدل با توجه به دادههای مقاله مرجع طراحی و برای انطباق با شرایط آزمایشگاهی اصلاح شد. مدلسازی بهگونهای انجام گرفت که شرایط حرکت سیال به صورت آرام و انتقال حرارت در بخشهای جامد و سیال در نظر گرفته شود.
تعریف مواد: مواد انتخابشده شامل آلومینیوم برای بخش جامد و آب مایع برای سیال خنککننده بودند. آلومینیوم به دلیل هدایت حرارتی بالا و وزن کم، برای انتقال حرارت مؤثر بسیار مناسب است. آب نیز به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و در دسترس بودن، بهعنوان یک سیال خنککننده ایدهآل استفاده میشود. این مواد بر اساس خواص ترمودینامیکی و مناسببودن برای کاربرد مورد نظر انتخاب شدند.
شبیهسازی عددی: معادلات انتقال حرارت مزدوج (Conjugated Heat Transfer) و موازنه انرژی با استفاده از نرمافزار COMSOL Multiphysics حل شدند. شبیهسازیها در یک سیستم با پردازنده Core i9 نسل 13 و رم 32 گیگابایت انجام گرفت که زمان کلی اجرای مدل حدود 2 ساعت به طول انجامید. استفاده از سختافزار قوی در این شبیهسازیها به کاهش زمان پردازش و افزایش دقت محاسبات کمک کرده است، بهویژه در تحلیلهای پیچیدهای مانند انتقال حرارت سهبعدی.
شرایط مرزی:
-
- دمای ورودی و خروجی سیال.
- انتقال حرارت جابهجایی در مرزها.
- شار حرارتی اعمالشده به سطح پایینی مبدل متصل به سلولهای خورشیدی.
مشبندی: برای افزایش دقت و کاهش هزینه محاسباتی، شبکهبندی بهینه انجام شد. تعداد مشهای متوسط برای دستیابی به نتایج پایدار استفاده شد.
معادلات مورد استفاده در شبیهسازی
معادله موازنه انرژی بهمنظور تحلیل انتقال حرارت بین بخش جامد و سیال خنککننده در مبدل حرارتی استفاده شده است. این معادله شامل انتقال حرارت هدایتی در بخش جامد (آلومینیوم) و انتقال حرارت جابجایی در بخش سیال (آب) میباشد. در این مدل، شرایط مرزی مهمی برای بررسی دمای ورودی و انتقال حرارت جابجایی در مرزهای مشترک جامد-سیال اعمال شده است. معادله موازنه مومنتوم برای تحلیل رفتار دینامیکی جریان سیال در کانالهای مبدل به کار گرفته شده است. این معادله بر اساس قانون دوم نیوتن، نیروهای وارد بر سیال و افت فشار ناشی از جریان را بررسی میکند.در این تحلیل، فرض جریان لمینار با شرایط مرزی شامل دبی ورودی و فشار خروجی برای کانالها در نظر گرفته شده است.
رابطه کلی موازنه انرژی و مومنتوم برای سیستم بهصورت زیر تعریف میشود:
نتایج کلیدی شبیهسازی و تحلیل
1. پروفیل دما
تحلیل پروفیل دما نشان داد که دمای سطح مبدل بهطور یکنواخت توزیع شده است. این یکنواختی به دلیل طراحی پیشرفته کانالهای موازی و انتخاب مواد با هدایت حرارتی بالا، مانند آلومینیوم، محقق شده است. انتقال حرارت جابجایی میان سیال و دیوارههای مبدل نقشی کلیدی در کاهش نقاط داغ و بهبود یکنواختی دما ایفا میکند. تحلیل پروفیل دما به قرار زیر است:
- مناطق با بالاترین دما: در ورودی بخاری و نواحی نزدیک به نقطه تماس سیال خنککننده با بخاری، دما به حداکثر مقدار خود رسید.
- مناطق با کاهش تدریجی دما: در طول کانالها، کاهش یکنواخت دما مشاهده شد که ناشی از جذب حرارت توسط سیال خنککننده است.
- بهینهسازی طراحی: این الگوی دمایی بهینه نشاندهنده افزایش انتقال حرارت مؤثر از طریق ترکیب طراحی هندسی دقیق و نرخ جریان جرمی مناسب است.
2. پروفیل سرعت و فشار
بررسی نتایج شبیهسازی نشان داد که جریان سیال داخل کانالها در تمامی شرایط عملیاتی در محدوده جریان لمینار قرار دارد. این حالت جریانی باعث کاهش افت فشار و افزایش بازده حرارتی میشود. کاهش فشار در کانالهای موازی به دلیل طراحی متقارن و یکنواخت هندسی در محدوده استاندارد عملکرد باقی ماند. افت فشار پایین تضمین میکند که انرژی مصرفی پمپها برای به حرکت درآوردن سیال به حداقل میرسد. رفتار جریان سیال بهبود یافته به دلیل ترکیب نرخ جریان جرمی مناسب و قطر هیدرولیکی بهینه کانالها است. توزیع یکنواخت سرعت در کانالها از مزایای طراحی بهینه محسوب میشود، که تأثیر مستقیم بر عملکرد انتقال حرارت و کاهش هدررفت انرژی دارد.
3. سطوح همدما
نقشه سطوح همدما، توزیع دما را در طول مبدل نشان داد. این نقشهها بهطور خاص تغییرات حرارتی را در نقاط مختلف مبدل به تصویر کشیدند.
الگوی همدما حاکی از انتقال حرارت بهینه از جامد به سیال است. نقشهها نشان داد که گرما بهطور مؤثر از مبدل به سیال منتقل شده و از تجمع گرما در یک نقطه جلوگیری شده است.
4. تحلیل موازنه انرژی
بازده انرژی: بررسی نتایج نشان داد که بازده حرارتی مبدل بیش از 90% بوده و حرارت ورودی بهطور عمده به سیال منتقل شده است. این نتیجه بیانگر استفاده مؤثر از انرژی گرمایی تولیدشده است.
مقایسه عددی و تجربی: نتایج عددی و تجربی با خطای کمتر از 5% همخوانی دارند که نشاندهنده دقت مدل شبیهسازی و صحت دادههای آزمایشگاهی است. شبیهسازی حساسیت سیستم نسبت به تغییرات شرایط عملیاتی (مانند دبی و دما) نشان داد که نتایج تجربی و عددی در تمامی این شرایط مطابقت دارند.
نتیجهگیری
نتایج شبیهسازی نشان میدهند که سیستم مبدل حرارتی میکرو طراحیشده بهطور مؤثر قادر به بازیابی گرمای هدررفته از سیستمهای HCPV است. علاوه بر این، گرمای بازیافتی میتواند در فرآیندهای ثانویه مانند سرمایش و فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، استفاده از مدلسازی انتقال حرارت مزدوج برای طراحی و بهینهسازی سیستمهای مشابه در آینده توصیه میشود.
منابع مورد استفاده برای این پروژه:
تحلیل عملکرد یک مبدل حرارتی میکرو کانالی برای بازیابی انرژی در HCPV در کامسول
این پروژه به تحلیل حرارتی و بهینهسازی یک مبدل حرارتی میکرو کانالی اختصاص دارد که برای بازیابی گرمای هدررفته از ماژولهای فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV) طراحی شده است. این پروژه، با نرمافزار COMSOL Multiphysics نسخه 6.2 انجام شده و نتایج، امکان استفاده از گرمای بازیافتی در فرآیندهای ثانویه را تأیید میکند. ضمنا این پروژه دارای آموزش نیز می باشد.