31016

بررسي عددي اثرات نانوسيال بر عملكرد انرژي حرارتي يك سيستم ترمو سيفون در تعامل با يك ژنراتور ترموالكتريك

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1401

1403/4/10

مهدي مقيمي

ندارم

مهندسي مكانيك

اين مطالعه به چالش اتلاف انرژي به‌عنوان گرما در دستگاه‌هاي مختلف، با تمركز بر ژنراتورهاي ترموالكتريك (TEG) به‌عنوان وسيله‌اي براي تبديل اين گرماي اتلاف به انرژي الكتريكي مي‌پردازد. راندمان و قابليت اطمينان TEGها اغلب توسط خواص سيال عامل محدود مي‌شود، به‌طوري‌كه آب به دليل رسانايي حرارتي پايين آن يك انتخاب رايج اما غيربهينه است. هدف از اين تحقيق انجام يك بررسي عددي در مورد اثرات نانوسيال بر عملكرد حرارتي يك سيستم ترمو سيفون يكپارچه با TEG است. اين مطالعه پتانسيل نانوسيال‌ها را براي كاهش محدوديت‌هاي مرتبط با سيالات كاري سنتي بررسي مي‌كند. اين تحقيق با تمركز بر هندسه هيت‌سينك، به‌ويژه بررسي ارتفاع و فاصله باله آغاز مي‌شود. شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهند كه فاصله باله‌ها تأثير قابل‌توجهي بر عملكرد دارد. با افزايش فاصله از 2.5 ميلي متر به 5.5 ميلي متر، تعداد باله ها به طور چشمگيري از 17 به 5 كاهش مي يابد كه كاهش 70 % در تعداد باله ها است. با وجود اين فاصله وسيع تر كه ضريب انتقال حرارت را افزايش مي دهد، منجر به افزايش دماي سينك حرارتي مي شود. اين نتيجه متضاد به دليل از دست دادن قابل توجه در سطح خيس شده است، كه بيش از هر گونه دستاوردي در انتقال حرارت همرفتي را خنثي مي كند. اين مطالعه نتيجه مي گيرد كه در محدوده آزمايش شده، كوچكترين فاصله باله 2.5 ميلي متر بهينه است. براي ارتفاع باله، مطالعه محدوده بهينه بين 5-25 ميلي متر را شناسايي مي كند. به طور جالب توجهي، افزايش ارتفاع باله منجر به كاهش دماي سينك حرارتي با وجود كاهش ضريب انتقال حرارت همرفتي مي شود. اين به اين دليل است كه افزايش قابل توجه سطح خيس شده با بلندتر شدن باله ها بيش از جبران كاهش موضعي راندمان انتقال حرارت است. اين يافته‌ها تأكيد مي‌كنند كه در سيستم‌هاي غيرفعال و كم جريان، مساحت سطح غالباً بر ضرايب همرفتي برتري دارد كه بينشي بسيار مهم براي طراحي‌هاي آينده است. سپس اين تحقيق به بررسي تأثير نانوسيالت بر عملكرد خنك‌كننده مي‌پردازد. هر دو نانوسيال Al2O3-water و CuO-water به طور قابل‌توجهي انتقال حرارت را در مقايسه با آب خالص افزايش مي‌دهند. در شار حرارتي 120 وات، نانوسيال آب Al2O3 در غلظت 4 % دماي سينك حرارتي را از 75 درجه سانتي گراد به حدود 62 درجه سانتي گراد كاهش مي دهد كه كاهش قابل توجهي 17 % است. CuO-آب در همان غلظت 13 % كاهش مي دهد. علاوه بر اين، افزايش غلظت نانوذرات Al2O3-آب از 1% به 4% باعث كاهش دماي اضافي در حدود 8 درجه سانتيگراد مي شود كه نشان مي دهد غلظت هاي بالاتر عملكرد را بيشتر مي كند. اين مطالعه در يك آزمايش با ريسك بالا به اوج خود مي‌رسد و سيستم TEG را در معرض شار حرارتي سوزان 75000 W/m² قرار مي‌دهد. با استفاده از طراحي بهينه هيت‌سينك (ارتفاع باله‌هاي 15 ميلي متري، فاصله باله هاي 2.5 ميلي متري) كه توسط نانوسيال خنك مي شود، سيستم به طور موثر قسمت سرد را تنها در دماي 39 درجه سانتي گراد حفظ مي كند. اين دستاورد گواهي بر اثربخشي طراحي است و نشان مي دهد كه چگونه بهينه سازي هندسي و مواد پيشرفته مي توانند براي ارائه عملكرد فوق العاده هم افزايي كنند. در نهايت، كانتورهاي دما و ولتاژ حاصل از شبيه‌سازي‌ها شواهد بصري تأثير سيستم خنك‌كننده را ارائه مي‌كنند. شيب دما كنتراست شديد بين دو طرف سردوگرم را نشان مي‌دهد، درحالي‌كه خطوط ولتاژ (از 1.07 تا 11.07 ميلي ولت) نشان مي دهد كه چگونه اين اختلاف دما به پتانسيل الكتريكي تبديل مي شود. اين تصاوير تأييد مي‌كنند كه سيستم خنك‌كننده غيرفعال بهينه‌شده، بهبود يافته توسط نانوسيال‌ها، مي‌تواند گراديان دماي بحراني مورد نياز براي توليد برق قابل‌توجه TEG را حتي در شرايط شار گرمايي شديد حفظ كند.

1403/04/16

Numerical Investigation on the Effects of Nanofluid on the Thermal Energy Performance of a Thermosiphon System Interacting with a Thermoelectric Generator

1/1/1900 12:00:00 AM

This study addresses the challenge of energy dissipation as heat in various devices, with a focus on thermoelectric generators (TEGs) as a means to convert this waste heat into electrical energy. The efficiency and reliability of TEGs are often constrained by the properties of the working fluid, with water being a common but suboptimal choice due to its low thermal conductivity. The objective of this research is to conduct a numerical investigation into the effects of nanofluids on the thermal performance of a thermosiphon system integrated with a TEG. The study explores the potential of nanofluids to mitigate the limitations associated with traditional working fluids. The research begins by focusing on heat sink geometry, specifically investigating fin height and spacing. The simulations reveal that fin spacing has a significant impact on performance. As spacing increases from 2.5 mm to 5.5 mm, the number of fins drops dramatically from 17 to 5, a 70% reduction in fin count. Despite this wider spacing increasing the heat transfer coefficient, it leads to higher heat sink temperatures. This counterintuitive result is due to the substantial loss in wetted surface area, which more than offsets any gains in convective heat transfer. The study concludes that, within the tested range, the smallest fin spacing of 2.5 mm is optimal. For fin height, the study identifies an optimal range between 5-25 mm. interestingly, increasing fin height leads to lower heat sink temperatures despite causing a decrease in the convective heat transfer coefficient. This is because the substantial increase in wetted surface area as fins grow taller more than compensates for the local decrease in heat transfer efficiency. These findings underscore that in passive, low-flow systems, surface area often trumps convective coefficients, a crucial insight for future designs. The research then moves on to investigate the impact of nanofluids on cooling performance. Both Al₂O₃-water and CuO-water nanofluids significantly enhance heat transfer compared to pure water. At a heat flux of 120 W, the Al₂O₃-water nanofluid at 4% concentration reduces the heat sink temperature from 75°C to about 62°C, a substantial 17% reduction. CuO-water at the same concentration yields a 13% decrease. Moreover, increasing Al₂O₃-water nanoparticle concentration from 1% to 4% provides an additional temperature drop of about 8°C, demonstrating that higher concentrations further enhance performance. The study culminates in a high-stakes test, subjecting the TEG system to a scorching 75,000 W/m² heat flux. Using the optimized heat sink design (15 mm fins height, 2.5 mm fin spacing) cooled by nanofluid, the system effectively maintains the cold side at a mere 39°C. This achievement is a testament to the design's effectiveness, showcasing how geometric optimization and advanced materials can synergize to deliver outstanding performance. Finally, the temperature and voltage contours from the simulations provide visual evidence of the cooling system's impact. The temperature gradients illustrate the stark contrast between the hot and cold sides, while the voltage contours (ranging from 1.07 to 11.07 mV) underscore how this temperature difference translates into electrical potential. These visuals confirm that the optimized passive cooling system, enhanced by nanofluids, can maintain the critical temperature gradient needed for substantial TEG power generation, even under extreme heat flux conditions

ژنراتور ترموالكتريك (TEG) , سيستم ترمو سيفون

Thermoelectric generator (TEG) , Thermo siphon system

Morteza Majed

Dr. Mehdi Moghimi