20732

۲۰۷۳۲

شبيه سازي و تحليل عملكرد واحدهاي ذخيره انرژي با استفاده از مواد تغيير فاز دهنده (PCM) با ذرات مقياس نانو و فوم فلزي متخلخل

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

۱۳۹۵

۱۳۹۸/۱/۲۷

دكتر مجيد سياوشي

دكنر محمد مهدي هيهات

مكانيك

در اين پژوهش عملكرد سه روش اصلي استفاده از نانو ذرات، پره‌ها و فوم فلزي در بهبود عملكرد PCM در يك هندسه معين و شرايط يكسان بررسي و با يكديگر مقايسه گرديده‌اند. تاثير پارامترهاي تخلخل و تراكم سوراخ فوم فلزي در بهبود انتقال حرارت در PCM و ايده استفاده از فوم‌ فلزي قطعه‌اي باهدف كاهش وزن واحد به جاي استفاده از فوم فلزي كامل بررسي‌شده است. جنس پره ، نانو ذرات و فوم فلزي يكسان و مس در نظر گرفته شده است. PCM استفاده‌شده n-eicosane با دماي ذوب 309.55 K مي باشد. هندسه مدل شبيه‌سازي شده در اين پژوهش مربوط به سيستم كنترل دما غيرفعال باتري ليتيوم يون18650 مي‌باشد. عملكرد PCM در هر دو كاربرد اصلي يعني كنترل دما (با هدف كاهش دماي باتري) و واحد ذخيره انرژي گرمايي ( با فرض باتري به عنوان منبع انرژي با نرخ توليد گرما ثابت) بررسي شده است. بررسي نتايج عملكرد PCM به عنوان سيستم كنترل دما باتري نشان مي دهد كه استفاده از فوم فلزي همراه با PCM در دو نرخ توليد حرارت 4.6 W و 9.2 W باتري به ترتيب موجب كاهش تقريباً 4-6 درجه كلوين دماي متوسط باتري نسبت به حالت استفاده ازPCM خالص مي‌گردد، فوم فلزي با تراكم سوراخ بزرگتر عملكرد بهتري در بهبود عملكرد سيستم كنترل دما دارد، كاهش تخلخل از 95% به 85% تأثير قابل توجهي بر بهبود عملكرد سيستم كنترل دما ندارد و در كل فوم فلزي در بهبود عملكرد PCM در سيستم كنترل دما موفق تر از پره و نانو ذرات عمل مي كند. ايده استفاده از فوم فلزي قطعه‌اي براي سيستم كنترل دما نتيجه بخش نمي‌باشد. بررسي نتايج عملكرد PCM به عنوان واحد ذخيره انرژي گرمايي نشان مي دهد كه استفاده از فوم فلزي موجب كاهش زمان ذوب مي‌شود.كاهش تخلخل و تراكم سوراخ فوم فلزي هر دو موجب كاهش زمان ذوب PCM مي‌گردند. در شرايط مساله اين پژوهش تاثير استفاده از پره در بهبود عملكرد PCM به عنوان واحد ذخيره انرژي گرمايي بهتر از تاثير استفاده از فوم فلزي و نانو ذرات مي باشد. استفاده از فوم فلزي قطعه‌اي مي‌تواند با در نظر گرفتن شرايطي در بهبود نرخ ذخيره گرما درPCM مؤثر واقع شود.

1398/03/29

Simulation and analysis of the performance of energy storage units using phase-change material (PCM) with nanoscale particles and porous metal foam

4/15/2020 12:00:00 AM

In current study, the effect of three main methods, i.e. utilizing metal foam, fins, and nanoparticles on improving the performance of PCM in a certain geometry and conditions are investigated and compared. The effects of parameters such as porosity and PPI of metal foam on the heat transfer enhancement in the PCM are investigated, also the idea of using a partial metal foam instead of using a full metal foam in order to weight reduction is studied. The material of the fins, nanoparticles, and metal foam are assumed to be copper. The PCM used is n-eicosan with a melting temperature of 309.55-309.65 K. The geometry of passive thermal management system of the 18650 lithium-ion battery is used in current simulation. The performance of PCM in two main applications, thermal management system (with the aim of reducing the battery temperature) and the thermal energy storage unit (assuming the battery as a source of energy with constant heat generation rate) are investigated. While examining the performance of PCM as a battery thermal management system results showed that the addition of nanoparticles into PCM in both 4.6W and 9.2W heat generation rates had insignificant effect on thermal control system performance. Using fins in 4.6W and 9.2W heat generation rates, led to battery mean temperature reduction of 2 and 4K, respectively. Also the results indicated that the addition of fins did not always lead to system performance improvement. In the studied configurations, it revealed that the thermal control system had better performance with 3 fins than 5 fins. Using metal foam in 4.6W and 9.2W heat generation rates led to battery mean temperature reduction of 4 and 6K, respectively. The change in porosity from 95% to 85% did not lead to significant change on thermal management system performance. It is seemed using metal foam has more effect than utilizing fins and nanoparticles on improvement of the performance of PCM in TMS. In examining the performance of PCM as the thermal energy storage unit, results indicated that using metal foam reduced the melting time. Also results showed that, while using metal foam reducing porosity and PPI of metal foam are the two parameters decreasing PCM melting time. In current study it is seemed that in overall conditions using fins is more proper to improve the performance of PCM in thermal energy storage unit rather than using metal foam or nanoparticles. In the some certain conditions the idea of using partial foam can be effective.