Pətək tipli faza dəyişməli istilik saxlama qurğusu, faza dəyişmə materialını (Phase Change Material, PCM) paylanmış altıbucaqlı hüceyrələrdə saxlayan və bu hüceyrələrin ətrafından keçən istilikdaşıyıcı maye (Heat Transfer Fluid, HTF) vasitəsilə istilik toplayan gizli istilik saxlama sistemidir. Bu tədqiqat təxminən eyni ümumi PCM miqdarını saxlayaraq 4, 9, 16 və 25 hüceyrəli quruluşları ikiölçülü CFD modeli ilə müqayisə etmiş; həmçinin HTF giriş temperaturunu, giriş sürətini və maye növünü dəyişdirmişdir. Hüceyrə sayının artırılması və giriş temperaturunun yüksəldilməsi yüklənməni nəzərəçarpacaq dərəcədə sürətləndirmiş, giriş sürətinin təsiri isə xətti olmamış və araşdırılan şərtlərdə 0,01 m/s ən yaxşı ümumi nəticəni vermişdir. Bununla belə, tədqiqat tammiqyaslı üçölçülü çən sınağı deyil, müqayisəli ikiölçülü ədədi modeldir.

4 hüceyrəli quruluş istinad kimi götürüldükdə, 9, 16 və 25 hüceyrəli quruluşlarda orta maye fraksiyasının 0,8-ə çatma müddəti müvafiq olaraq %58,3, %73,9 və %83,5 azalmışdır. 9000 s sonunda 25 hüceyrəli quruluş 5446,83 kJ ümumi istilik saxladığı halda, 4 hüceyrəli quruluş 2644,76 kJ saxlamışdır; fərq %106,0 olmuşdur.

25 hüceyrəli quruluşda HTF giriş temperaturunun 338 K-dən 343 K və 348 K-yə qaldırılması tam ərimə müddətini 23.236 s-dən müvafiq olaraq 16.876 s və 13.371 s-ə endirmişdir. Eyni şərtlərdə 9000 s sonunda ümumi saxlanılan istilik 5446,82 kJ-dən 6239,53 və 6911,76 kJ-yə yüksəlmişdir.

Giriş sürətinin 0,003 m/s-dən 0,01 m/s-ə artırılması yüklənməni sürətləndirmiş, lakin 0,1 və 0,15 m/s-ə əlavə artımlar cüzi performans itkisinə səbəb olmuşdur. Su, propilen qlikol və etilen qlikol arasında ən yaxşı performansı su göstərmişdir; lakin üç HTF arasındakı fərq hüceyrə sayı və giriş temperaturunun təsiri ilə müqayisədə kiçikdir.

Tədqiqatın əsas problemi

Faza dəyişmə materialları bərk-maye faza çevrilməsi zamanı yüksək miqdarda gizli istilik saxlaya bildiyinə görə günəş dəstəkli isitmə, isti su istehsalı və aşağı temperaturlu təmiz enerji sistemlərində enerji təklifi ilə tələbi müxtəlif vaxtlara daşıya bilən saxlama elementləridir. Bununla belə, PCM-nin aşağı istilikkeçiriciliyi, xüsusilə böyük PCM həcmində ərimə cəbhəsinin irəliləməsini ləngidə bilər.

Buna görə yalnız hansı PCM-nin istifadə edildiyi deyil, PCM-nin saxlama qurğusunun daxilində necə paylandığı da yüklənmə müddətini müəyyən edir. Pətək strukturu PCM-ni daha kiçik sahələrə bölür və HTF keçidlərini nizamlı şəkildə paylayır. Tədqiqatın əsas sualı ümumi PCM miqdarı təxminən sabit saxlandıqda yalnız hüceyrə sayının artırılmasının istilik ötürülməsi və ərimə davranışına nə dərəcədə təsir etməsidir.

Tədqiqatın ədəbiyyat boşluğu

Əvvəlki tədqiqatlar müxtəlif kapsul formalarına, ayrı-ayrı pətək hüceyrələrinin həndəsəsinə, hüceyrə istiqamətlənməsinə, keçirici pətək qanadlarına və ya müəyyən HTF temperaturlarına yönəlmişdir. Bu tədqiqat isə çən səviyyəsində, təxminən eyni PCM ehtiyatı şəraitində paylanmış altıbucaqlı hüceyrələrin sayını 4-dən 25-ə dəyişdirərək həndəsi bölmələndirmə təsirini PCM miqdarının təsirindən ayırmağa çalışır.

Bundan əlavə, hüceyrə sayı təkbaşına araşdırılmamış; HTF giriş temperaturu, giriş sürəti və maye növü də eyni model infrastrukturu daxilində müqayisə edilmişdir. Beləliklə, həndəsi və istismar parametrlərinin nisbi əhəmiyyətini müəyyənləşdirmək məqsədi qoyulmuşdur.

Pətək həndəsəsi

Model çəninin daxili ölçüləri 500 mm × 450 mm × 400 mm, daxili həcmi isə 0,0900 m³-dür. Ədədi model en kəsiyi ikiölçülü şəkildə təmsil edir. Hüceyrələrin ox boyunca 400 mm uzunluqda və dəyişməyən kəsiyə malik olduğu qəbul edilmişdir.

Altıbucaqların ümumi en kəsik sahəsi:

\[ A_{\mathrm{PCM}} = N\left(\frac{3\sqrt{3}}{2}\right)a^2 \approx 0.06651\ \mathrm{m^2} \]

kimi sabit saxlanılmışdır. Burada \(N\) hüceyrə sayını, \(a\) isə altıbucağın tərəf uzunluğunu ifadə edir.

Çənin kəsik sahəsi:

\[ A_{\mathrm{tank}}=0.500\times0.450=0.225\ \mathrm{m^2} \]

olduğuna görə PCM həcm payı:

\[ \phi_{\mathrm{PCM}}= \frac{A_{\mathrm{PCM}}}{A_{\mathrm{tank}}} = \frac{0.06651}{0.225} \approx29.56\% \]

kimi alınır. Tədqiqatda %29,56 ayrıca optimal doluluq nisbəti deyil; təxminən sabit PCM ehtiyatını qorumaq üçün seçilmiş həndəsənin nəticəsidir.

Pətək Hüceyrələrinin Sayının Artması PCM Yüklənməsini Niyə Sürətləndirdi?

Tədqiqatda hüceyrə sayının artması PCM-ni daha kiçik bölgələrə ayıraraq effektiv istilikötürmə səthini böyütmüş və xarakterik istilikötürmə məsafəsini qısaltmışdır; müəlliflər həmçinin daha kiçik ara HTF keçidlərinin durğun axın bölgələrini azaldaraq yerli konvektiv müqaviməti aşağı saldığını bildirirlər. Bu mexanizmlər 25 hüceyrəli quruluşda temperaturun daha sürətli və daha homogen yüksəlməsi ilə yanaşı ərimə cəbhəsinin daha sürətli irəliləməsini izah edir.

Faza dəyişmə materialı: RT54HC

Saxlama materialı kimi RT54HC istifadə edilmişdir. Materialın bərkimə/mayeləşmə temperaturları təxminən 326–327 K intervalındadır və ərimənin gizli istiliyi 200.000 J/kg-dır.

13 ədədi müqayisə şərti

Hal 6 ilə Hal 11 eyni ədədi tədqiqat şərtini daşıyır. Bu ortaq su şərti giriş temperaturu müqayisəsinin yuxarı temperatur istinadı və maye növü müqayisəsinin su istinadı kimi yenidən istifadə edilir.

Ədədi modelin əsas fərziyyələri

• Maye PCM və HTF sıxılmayan Nyuton tipli mayelərdir.
• Maye PCM daxilində təbii konveksiya Boussinesq yanaşması ilə modelləşdirilmişdir.
• Bərk-maye faza çevrilməsində həcm dəyişməsi əsas modeldə nəzərə alınmamışdır.
• PCM kapsul divarı sıfır qalınlıqlı termal interfeys kimi qəbul edilmişdir.
• Kapsul divarının istilik müqaviməti və istilik tutumu modelləşdirilməmişdir.
• Çənin xarici divarlarından ətraf mühitə istilik itkisi nəzərə alınmamışdır.
• PCM–HTF interfeysində temperatur və normal istilik axını fasiləsizdir; interfeysdən kütlə keçidi yoxdur.

HTF üçün qorunma tənlikləri

İstilikdaşıyıcı maye üçün kəsilməzlik tənliyi:

\[ \nabla\cdot\vec{u}=0 \]

Momentum tənliyi:

\[ \rho_{\mathrm{HTF}} \frac{\partial\vec{u}}{\partial t} + \rho_{\mathrm{HTF}}\vec{u}\cdot(\nabla\cdot\vec{u}) = -\nabla p+ \mu_{\mathrm{HTF}}\nabla^2\vec{u} \]

Enerji tənliyi:

\[ \rho_{\mathrm{HTF}}c_{\mathrm{HTF}} \frac{\partial T}{\partial t} + \rho_{\mathrm{HTF}}c_{\mathrm{HTF}} \vec{u}\cdot\nabla T = \nabla\cdot \left( \lambda_{\mathrm{HTF}}\nabla T \right) \]

Burada \(\vec{u}\) sürət vektoru, \(t\) zaman, \(\rho_{\mathrm{HTF}}\) sıxlıq, \(c_{\mathrm{HTF}}\) xüsusi istilik, \(\lambda_{\mathrm{HTF}}\) istilikkeçiricilik, \(p\) təzyiq və \(T\) temperaturdur.

PCM üçün entalpi-məsaməlilik modeli

PCM-nin kəsilməzlik tənliyi yenə:

\[ \nabla\cdot\vec{u}=0 \]

şəklindədir.

PCM momentum tənliyi mənbədə aşağıdakı kimi müəyyən edilmişdir:

\[ \rho_{\mathrm{PCM}} \frac{\partial\vec{u}}{\partial t} + \rho_{\mathrm{PCM}}\vec{u}\cdot(\nabla\cdot\vec{u}) = -\nabla p + \mu_{\mathrm{PCM}}\nabla^2\vec{u} + \rho_{\mathrm{PCM}}\alpha_v(T-T_m)\vec{g} - A_{\mathrm{mush}} \frac{(1-\beta)^2}{\beta^3+\varepsilon}\vec{u} \]

Sonuncu termin entalpi-məsaməlilik metodundakı bərk-maye mushy zone müqavimət terminidir. Bərk bölgəyə yaxınlaşdıqca maye fraksiyası \(\beta\) azalır və axını boğan müqavimət artır. Mənbədə \(A_{\mathrm{mush}}=10^5\ \mathrm{kg/(m^3\,s)}\) və \(\varepsilon=0,001\) istifadə edilmişdir.

PCM enerji tənliyi:

\[ \rho_{\mathrm{PCM}} \frac{\partial H}{\partial t} + \rho_{\mathrm{PCM}}\nabla\cdot(\vec{u}H) = \nabla\left(\lambda_{\mathrm{PCM}}\nabla T\right) \]

şəklindədir. \(H\), PCM-nin xüsusi entalpisidir.

Maye fraksiyası

Faza dəyişmə bölgəsində maye fraksiyası:

\[ \beta= \begin{cases} 0, & T\leq T_s\\ \dfrac{T-T_s}{T_l-T_s}, & T_s<T<T_l\\ 1, & T\geq T_l \end{cases} \]

kimi hesablanmışdır. \(T_s\) solidus, \(T_l\) isə liquidus temperaturudur. Beləliklə, \(\beta=0\) tam bərk, \(\beta=1\) tam maye PCM-ni ifadə edir.

PCM xüsusi entalpisi

Mənbədə xüsusi entalpi:

\[ H= h_{\mathrm{ref}} + c_p(T-T_{\mathrm{ref}}) + \beta L \]

kimi verilir. İlk iki termin hiss olunan istilik komponentini, \(\beta L\) isə faza dəyişməsindəki gizli istilik töhfəsini təmsil edir. \(L\), PCM-nin ərimə gizli istiliyidir.

Sərhəd şərtləri

Xarici düzbucaqlı divarlar adiabatik qəbul edilmişdir:

\[ \frac{\partial T}{\partial x} = \frac{\partial T}{\partial y} = 0 \]

Lakin PCM–HTF interfeysləri adiabatik deyil. Yerli temperatur fasiləsizliyi:

\[ T_{\mathrm{HTF}}\big|_{\Gamma} = T_{\mathrm{PCM}}\big|_{\Gamma} \]

və normal istilik axınının qorunması:

\[ -k_{\mathrm{HTF}} \frac{\partial T_{\mathrm{HTF}}}{\partial n} \bigg|_{\Gamma} = -k_{\mathrm{PCM}} \frac{\partial T_{\mathrm{PCM}}}{\partial n} \bigg|_{\Gamma} \]

şərtləri ilə tətbiq edilmişdir. Bu yerli interfeys temperaturlarının bərabərliyi HTF-nin kütlə üzrə orta temperaturu ilə PCM-nin daxili orta temperaturunun hər an bərabər olması demək deyil.

CFD həlledicisi və ədədi sazlamalar

İkiölçülü CFD həllində standart \(k-\varepsilon\) turbulentlik modeli istifadə edilmişdir. Təzyiq-sürət əlaqəsi SIMPLE alqoritmi ilə həll edilmiş, kütlə, momentum və enerji tənliklərində ikinci tərtibli upwind diskretləşdirmə tətbiq olunmuşdur.

Momentum, təzyiq düzəlişi, enerji və ərimə fraksiyası üçün relaksasiya əmsalları müvafiq olaraq 0,7; 0,3; 1 və 0,6-dır.

HTF sahəsi strukturlaşdırılmış dördbucaqlı elementlərlə, PCM sahələri isə altıbucaqlı sərhədlərə uyğunlaşmaq üçün strukturlaşdırılmamış üçbucaqlı elementlərlə torlanmışdır. PCM–HTF interfeyslərində böyük temperatur qradiyentlərini həll etmək üçün yerli tor incəldilməsi tətbiq edilmişdir.

Tor və zaman addımından müstəqillik

Tor müstəqilliyi 19.214, 35.223 və 76.913 hüceyrəli torlarla; zaman addımından müstəqillik isə 0,5, 1 və 2 s qiymətləri ilə araşdırılmışdır. Son hesablamalarda dəqiqlik və hesablama xərci nəzərə alınaraq 76.913 tor hüceyrəsi və 1 s zaman addımı istifadə edilmişdir.

Son torun minimum orthogonal quality qiyməti 0,467, maksimum aspect ratio qiyməti isə 4,35 kimi bildirilmişdir.

Modelin doğrulanması

CFD modeli ədəbiyyatdakı halqavari PCM ərimə təcrübəsinin temperatur məlumatları ilə müqayisə edilmişdir. Üç müxtəlif radial izləmə mövqeyinin birlikdə qiymətləndirilməsində:

Bu doğrulama RT54HC-yə məxsus material təcrübəsi deyil. Mənbə müqayisəni istilikkeçirmə, təbii konveksiya, gizli istiliyin udulması və bərk-maye interfeysinin hərəkətini əhatə edən əsas fiziki mexanizmlərin ağlabatan şəkildə təmsil olunub-olunmadığını yoxlamaq üçün istifadə edir.

Giriş Sürətinin Təsiri Niyə Xətti Deyil?

Araşdırılan pətək həndəsəsində giriş sürətinin 0,003 m/s-dən 0,01 m/s-ə qaldırılması konvektiv istilik ötürülməsini və ümumi yüklənməni yaxşılaşdırmış, lakin sürətin 0,1–0,15 m/s intervalına qaldırılması əlavə qazanc verməmiş və bəzi metriklərdə cüzi pisləşməyə səbəb olmuşdur. Mənbə bunun dəqiq mexanizmini eksperimental olaraq sübut etmir, mümkün izah kimi daha yüksək həcm sürətlərində HTF-nin bütün PCM hüceyrələrinə getdikcə daha qeyri-bərabər paylanmasını göstərir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi və dəstəkləmədiyi nəticələr

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Hüceyrə sayının orta temperatura təsiri

4 hüceyrəli quruluşda orta PCM temperaturunun 330 K-yə çatması 31.117 s çəkmişdir. 9, 16 və 25 hüceyrəli quruluşlarda bu müddətlər müvafiq olaraq 16.005, 10.803 və 6541 s olmuşdur.

Hüceyrə sayının ərimə müddətinə təsiri

Orta maye fraksiyasının 0,8-ə çatması üçün tələb olunan müddət:

9000 s-də hüceyrə sayı müqayisəsi

4 hüceyrədən 25 hüceyrəyə keçildikdə 9000 s sonunda hiss olunan istilik %32,5, gizli istilik %178,0 və ümumi saxlanmış istilik %106,0 artmışdır.

Buradakı %106,0 artım PCM-nin nəzəri maksimum saxlama tutumunun iki dəfə artdığı mənasına gəlmir. Ümumi PCM miqdarı təxminən eynidir; 25 hüceyrəli quruluş yalnız eyni 9000 s-lik yüklənmə müddətində mövcud tutumun daha böyük hissəsindən istifadə edə bilmişdir.

Giriş temperaturunun əriməyə təsiri

338 K istinadına görə 343 K və 348 K şərtlərində tam ərimə müddəti müvafiq olaraq %27,4 və %42,5 azalmışdır. Eyni iki temperatur artımı 9000 s-də ümumi saxlanmış istiliyi %14,6 və %26,9 artırmışdır.

Giriş temperaturu niyə güclü parametrdir?

HTF ilə PCM arasındakı temperatur fərqi artdıqca istilik hərəkətverici qüvvəsi yüksəlir. Tədqiqatın temperatur konturları yüksək giriş temperaturunda PCM daxilində aşağı temperaturlu bərk nüvələrin daha sürətlə kiçildiyini və 348 K şərtində 14.400 s-ə çatmamış tam mayeləşmənin baş verdiyini göstərir.

Giriş sürətinin müqayisəsi

0,003 m/s istinadına görə 0,005 və 0,01 m/s sürətləri maye fraksiyasının 0,8-ə çatma müddətini müvafiq olaraq %15,3 və %22,8 azaltmışdır. Buna qarşılıq, 0,01 m/s-dən 0,1 m/s-ə yüksəldilməsi həmin müddəti %4,0 uzatmışdır.

Maye növünün təsiri

Performans sıralaması su > propilen qlikol > etilen qlikol şəklindədir. Lakin üç mayenin yüklənmə nəticələri bir-birinə yaxındır. Mənbə buna görə donmadan qorunma tələb olunan mühitlərdə qlikol əsaslı HTF istifadəsinin yalnız məhdud yüklənmə performansı itkisi ilə mümkün ola biləcəyini bildirir.

İkiölçülü Model Hansı Real Sistem Təsirlərini Göstərmir?

İkiölçülü model pətək qurğusunun en kəsiyində HTF paylanmasını, istilik ötürülməsini və PCM əriməsini müqayisə etmək üçün hazırlanmışdır; oxboyu istilikkeçirməni, giriş və çıxışdakı üçölçülü axının inkişafını, kollektor qeyri-bərabərliklərini, son divar təsirlərini və yerli üçölçülü axın strukturlarını birbaşa təmsil etmir. Buna görə nəticələr müqayisəli dizayn meylləri üçün istifadə oluna bilər, lakin tammiqyaslı çənin bütün yerli üçölçülü davranışının birbaşa proqnozu kimi şərh edilməməlidir.

Sıfır qalınlıqlı kapsul divarı fərziyyəsi

PCM ilə HTF arasında sonlu kapsul materialı modelləşdirilməmişdir. Nəticə etibarilə divarın istilik müqaviməti, divar istilik tutumu və təmas müqaviməti hesablamalara birbaşa daxil edilmir.

Real keçirici divar istilik ötürülməsini gücləndirə bilər; eyni zamanda çən daxilində PCM-yə ayrıla bilən həcmi azalda bilər. Mənbə buna görə mövcud nəticələrdən fərqli kapsul materiallarının struktur və ya termal üstünlüyünün çıxarıla bilməyəcəyini açıq şəkildə bildirir.

PCM xüsusiyyətlərinin temperaturdan asılılığı

Modeldə RT54HC-nin istilikkeçiriciliyi və xüsusi istilik tutumu üçün sabit orta qiymətlər istifadə edilmişdir. Bunun səbəbi kifayət qədər tam temperaturdan asılı məlumatın olmamasıdır. Bu yanaşma nəzarətli parametr müqayisəsi üçün istifadə olunsa da, yerli ərimə detalları üçün əlavə qeyri-müəyyənlik yarada bilər.

Həcm dəyişməsi

Əsas model bərk-maye sıxlıq fərqinin yaratdığı keçici həcm genişlənməsini həll etmir. Mənbədə əlavə sabit-boşluq ssenarisinin həndəsi boşluq tələbatını nəzərə aldığı, lakin PCM-nin zamanla bu boşluğa genişlənməsini simulyasiya etmədiyi bildirilir.

Müəlliflər gələcəkdə sərbəst səth və ya çoxfazalı model, qaz sıxılması və struktur deformasiya hesablamalarının birləşdirilməsini təklif edirlər.

Gələcək tədqiqat

Mənbə gələcəkdə üçölçülü doğrulama, sonlu divar qalınlığı və material xüsusiyyətləri, temperaturdan asılı PCM xüsusiyyətləri, PCM istilikkeçiriciliyi, gizli istilik, ərimə temperaturu, pətək tərəf uzunluğu və PCM doluluq nisbətinin çoxparametrli həssaslıq və çoxməqsədli optimallaşdırma ilə araşdırılmasını təklif edir.

Şəkil 2 mənbə qeydi

Mənbə mətn dörd əsas həndəsəni 4, 9, 16 və 25 hüceyrə kimi müəyyən edir və 16 hüceyrə üçün 40,00 mm altıbucaq tərəf uzunluğu verir. Lakin mənbə Şəkil 2 başlığında üç görünüşü 4-cell, 9-cell və 25-cell kimi adlandırır. Buna görə Verianla bu şəkli yenidən hazırlayarkən mənbə şəklinin etiketini səssizcə “16 hüceyrə” ilə əvəz etməməlidir; 16 hüceyrəli konfiqurasiya yalnız mənbə mətnindəki təsdiqlənmiş həndəsi məlumatlardan istifadə olunaraq ayrıca və açıq şəkildə yenidən çəkilə bilər.

Mənbə və Metod Qeydi

Müəllif töhfələri: Mingji Wang konseptuallaşdırma, metodologiya və nəzərdən keçirmə/redaktə; Yangyang Wu vizuallaşdırma, tədqiqat və ilkin layihə; Xinhua Guo məlumatların kurasiyası; Yinxia Zhuang nəzarət və layihə idarəetməsi vəzifələrini yerinə yetirmişdir.

Modelləşdirmə sərhədi: Tədqiqatın əsas nəticələri ikiölçülü ədədi simulyasiyalardan əldə edilmişdir. Mövcud model real çənin giriş/çıxış kollektorlarını, oxboyu temperatur dəyişməsini, son divarları və digər üçölçülü təsirləri birbaşa həll etmir.

Doğrulama sərhədi: Ədədi model daha əvvəl dərc edilmiş PCM ərimə təcrübəsinin temperatur məlumatları ilə müqayisə edilmiş və aşağı səhv metrikləri əldə edilmişdir; lakin bu müqayisə birbaşa RT54HC pətək çən prototipi üzərində aparılmış müstəqil fiziki təcrübə deyil.

Tutumun şərhi: 25 hüceyrəli quruluşun 9000 s-də ümumi saxlanmış istiliyinin artması nəzəri maksimum PCM tutumunun artmasını deyil, eyni yüklənmə müddətində tutumun daha böyük hissəsinin istifadə olunmasını ifadə edir.

Sürətin şərhi: 0,01 m/s yalnız bu tədqiqatda araşdırılan həndəsə, HTF və sərhəd şərtləri daxilində ən yaxşı performansı göstərmişdir. Universal optimal HTF sürəti kimi şərh edilməməlidir.

Vizualın yenidən çəkilməsi: Mənbə məlumatlarından 4/9/16/25 hüceyrə bölmələndirilməsi, 9000 s istilik saxlama müqayisələri, giriş temperaturu və sürətinin ərimə müddətinə təsiri və üç HTF-nin nəticələri Verianla üçün orijinal qrafik və sxemlər şəklində yenidən çəkilə bilər. Mənbə Şəkil 2-dəki 16 hüceyrəli quruluş etiket problemi yenidən çəkilişdə açıq şəkildə nəzərə alınmalıdır.