شماره ركورد
33887
پديد آورنده
معد عثمان
عنوان
تخمين معكوس پارامترها و طراحي هندسي بهينه بستر جذب براي كاربردهاي خنك كاري خورشيدي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1397
تاريخ دفاع
1404/11/30
استاد راهنما
دكتر مجيد سياوشي
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مكانيك
چكيده
اين تحقيق دكترا، يك چارچوب مدلسازي و بهينهسازي كامل براي سيستمهاي تبريد جذبي كه معمولاً در دستگاههاي خنككننده خورشيدي استفاده ميشوند، معرفي ميكند و بر دو عنصر اصلي تمركز دارد: تخمين پارامترهاي جذب و ضرايب انتشار از طريق يك مدل دوبعدي سادهشده، و بهينهسازي حرارتي-هندسي يك مبدل حرارتي پرهدار سهبعدي كامل كه به عنوان يك بستر جذب عمل ميكند. بنابراين، تلاشهايي براي پرداختن به اكثر چالشهاي مربوط به انتقال حرارت و طراحي هندسي بستر جذب، همچنين تناقضاتي كه در تحقيقات اخير ظاهر شدهاند، به منظور دستيابي به عملكرد بهينه كاربردهاي تبريد جذبي، اختصاص داده شد. در بخش اول، يك مدل بستر جذب متقارن دوبعدي در فاز اوليه براي استخراج خواص ترموفيزيكي زوج كربن فعال/متانول، با استفاده از دادههاي تجربي از واريانس ديفرانسيلي و تحليل وزن مولكولي نمونه كربن فعال در يك آزمايشگاه خصوصي، توسعه داده شده است. از طريق يك روش معكوس تخمين پارامتر با استفاده از شبيهسازي عددي همراه با الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات، پارامترهاي كليدي شامل مدل نيروي محركه خطي، انتقال حرارتي مؤثر، ضرايب انتشار و ثابتهاي معادله جذب دوبينين-آستاخوف، همچنين ساير پارامترهاي معادلات حاكم مانند قانون دارسي براي جريان بخار، تعادل انرژي گذرا و غيره، تحت شرايط عدم تعادل حرارتي موضعي با كمينهسازي ميانگين مربعات خطاي دما بين مدل شبيهسازي و تجربي تخمين زده شدند. در مرحله بعد، شبيهسازيها با استفاده از پارامترهاي تخميني جديد انجام شد و به انحراف كمتر از 1.2٪ براي نتايج تغييرات دما، فشار و جذب منجر شد. ميانگين مربعات خطاي براي كل آزمايش مدل 0.87٪ بود. با استفاده از پارامترهاي تخميني قبلي، يك شبيهسازي عددي سهبعدي دقيق براي طراحي بهينه ترمو-هندسي بستر جذب انجام شد. از اين رو، بخش دوم بر توسعه يك مدل ديناميك سيالات محاسباتي گذرا در COMSOL Multiphysics براي شبيهسازي انتقال حرارت و جرم در دو پيكربندي مبدل حرارتي با استفاده از لولههاي پرهدار طولي و حلقوي متمركز بود. يك سيستم تجربي آماده شد، اعتبار سنجي مدل بر اساس نتايج تجربي تحت شرايط واجذب يكسان (T_HTF=353 [K],V_HTF=0.2 [m⁄s])، با انحراف كمتر از 3٪ در هر دو دما و فشار تاييد شد. سپس از اين مدل براي بررسي اثرات متغيرهاي هندسي، از جمله تعداد پرهها، ارتفاع و ضخامت پره، قطر و ضخامت لوله، بر چهار شاخص كليدي عملكرد استفاده شد: جرم متانول توليد شده، ضريب عملكرد، توان خنككننده ويژه و توان خنككننده حجمي. متغيرهاي حساس را طبق يك مطالعه پارامتري اوليه شناسايي كردند ، سپس يك روال بهينهسازي مبتني بر الگوريتم نلدر-ميد براي تنظيم دقيق طراحي استفاده شد. دادههاي مقطعي و محوري در مورد توزيع دما، فشار و جذب از شبيهسازي استخراج شدند تا عملكرد سيستم ارزيابي شود. طراحي هندسي بهينه، كه بر تعداد پره ها، ارتفاع پره و قطر لوله متمركز بود، به بهبود 33٪، 31٪، 30٪ و 29٪ به ترتيب چهار شاخص عملكرد قبلي در مقايسه با طراحي مرجع منجر شد. طراحي بهينه پرهدار طولي، بهترين تعادل بين نرخ واجذب متانول و فشردگي سيستم را فراهم كرد، و در مقايسه با طراحي پرهدار حلقوي 21٪ بهبود را به دست آورد. اين مطالعه يك رويكرد شبيهسازي مدل سهبعدي با آزمايش ايجاد ميكند كه بهينهسازي هندسي را با پارامترهاي عددي تركيب ميكند و امكان طراحي بسترهاي جذب با كارايي بالا را فراهم ميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/07
عنوان به انگليسي
Inverse parameters estimation and optimal geometric design of adsorption bed for solar cooling applications
تاريخ بهره برداري
2/19/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
معد عثمان
چكيده به لاتين
This doctoral research introduces a thorough modeling and optimization framework for adsorption refrigeration systems commonly employed in solar cooling apparatus, concentrating on two primary elements: the estimation of adsorption parameters and diffusion coefficients via a simplified two-dimensional model, and the thermal-geometric optimization of a complete three-dimensional finned heat exchanger functioning as an adsorption bed. Therefore, efforts were devoted to address the majority of the challenges related with heat transfer and geometric design within the adsorption bed, as well as the contradictions that have surfaced in recent research, in order to obtain the optimal performance for adsorption refrigeration applications. In the first part, a two-dimensional symmetric adsorption bed model is developed in the initial phase to derive the thermophysical properties of the activated carbon/methanol pair, utilizing experimental data from differential variance and molecular weight analysis of the activated carbon sample in a private laboratory. Through an inverse parameter estimation method using numerical simulation coupled with a particle swarm optimization algorithm, the key transport parameters of the linear driving force model, including the effective thermal conductivity, diffusion coefficients, and Dubinin–Astakhov adsorption equation constants, as well as other parameters of the governing equations such as Darcy’s law for vapor flow, transient energy balance, etc., were estimated under local thermal non-equilibrium conditions with minimization of the mean square temperature error of temperature between the simulation model and the experiment. Next, simulations were done using the new estimated parameters and resulted in a deviation of less than 1.2% for the results of temperature, pressure, and uptake changes. The total mean square error for the entire model experiment was 0.87%. Using the previously estimated parameters, an accurate three-dimensional numerical simulation was performed to optimize the thermo-geometric design of the adsorption bed. Hence, the second part focused on developing a transient computational fluid dynamics model in COMSOL Multiphysics to simulate heat and mass transfer in two heat exchanger configurations using longitudinal and annular finned tubes. An experimental setup prepared and the model validity confirmed based on experimental results under identical desorption conditions T_HTF = 353 [K], V_HTF = 0.2 [m/s], with a deviation of less than 3% in both temperature and pressure. The model was then used to explore the effects of geometric variables, including the number of fins, fin height and thickness, diameter and thickness tube, on four key performance indicators: methanol mass generated, coefficient of performance, specific cooling power, and volumetric cooling power. An initial parametric study identified the sensitive variables, and an optimization routine based on the Nelder-Mead algorithm was used to fine-tune the design. Cross-sectional and axial data on temperature, pressure, and uptake profiles were extracted from the simulation to evaluate system performance. The optimized geometric design, which focused on fin number, fin height, and tube diameter, resulted in improvements of 33%, 31%, 30%, and 29%, respectively, for the four performance indicators compared to the reference design. The optimal longitudinal finned design provided the best trade-off between methanol desorption rate and system compactness, achieving improvements 21% compared to annular finned design. This study establishes a 3D model simulation approach with experiment, combining geometric optimization with numerical parameters, enabling the design of high performance adsorption beds.
كليدواژه هاي فارسي
كربن فعال گرانولي , خواص ترموفيزيكي , تخمين پارامتر معكوس , پارامترهاي هندسي , بهينهسازي , جذب , واجذب
كليدواژه هاي لاتين
Granular activated carbon , Thermophysical properties , Inverse parameter estimation , Geometric parameters , Optimization , Adsorption , Desorption
Author
Maaed Ossman
SuperVisor
Dr. Majid Siavashi