توضیحات
عنوان: کاربرد مواد تغییر فازدهنده PCM در دستگاه های ذخیره گرما و سرمادر ساختمان ها (سیستم های خورشیدی)
- مقدمه
- تعریف مواد تغییر فاز دهنده
- چگونگی عملكرد مواد تغییرر فاز دهنده
- استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای خورشیدی
- کاربرد مواد تغییرفاز دهنده در ساختمانها
- كاربرد مواد تغییر فاز دهنده در پمپ گرمایی خورشیدی
- کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در آبگرمکنهای خورشیدی
- انواع مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای خورشیدی
- مراجع
مقدمه
امروزه مصرف جهانی انرژی در حدود 4/1 x 102 ژول در سال است. با توجه به افزایش جمعیت و رشد اقتصاد، میزان تقاضا برای انرژی تا سال ۲۰۵۰ دو برابر مقدار کنونی خواهد شد. از زمان انقلاب صنعتی به نظر میرسد بشر از روشهای مصنوعی برای تامین شرایط آسایش در ساختمان استفاده میکند. این روش نه تنها گران است بلکه باعث تخریب محیط زیست میگردد. این است که دوباره توجه معماران و دستاندرکاران صنعت ساختمان به سمت بهرهگیری هر چه بیشتر و بهتر از عوامل طبیعی برای گرمایش و سرمایش ساختمان معطوف گردیده است.
در حال حاضر یکی از چالشهای کارشناسان، ذخیره انرژی در شکل مناسب است. این امر منجر به ذخیره انرژی مازاد و اقتصادیتر شدن سیستم از طریق کاهش اتلاف انرژی و هزینه سرمایه میشود. اصول بنیادی علم بهطور گستردهای برای تولیدات نو و ابتکاری استفاده میشود. یکی از این اصول تغییر فاز است، تغییر فاز (انجماد، ذوب، تبخیر و …) از جمله فرآیند های فیزیکی است که در بسیاری از رخداد های طبیعی و عملیاتهای صنعتی مشاهده میشود. پدیدههای طبیعی مثل ذوب شدن برف در هوای گرم، یخ زدن آب حوضچهها در زمستان، سوختن شمع و همچنین عملیاتهای صنعتی مثل جوشکاری و ریختهگری از جمله فرآیند های آشنایی هستند که همراه با تغییر فاز صورت میگیرند. از گروههای خاصی از مواد به دلیل داشتن خصوصیات مناسبی مانند گرمای نهان بالا ،دمای تغییر فاز مناسب و تغییر حجم اندک حین تغییر فاز به منظور مدیریت حرارتی در برخی از فرآیندهای حرارتی استفاده میگردد. از این مواد اصطلاحا بهعنوان مواد تغییر فاز دهنده ( PCM) نام برده میشود.
انرژی خورشیدی، انرژی است ارزان، فراوان، سالم و تمیز که سالیان متمادی بشر از آن استفاده کرده است اما پس از دستیابی به منابع سوخت فسیلی، تجربیات گذشته را رها کرده و روز به روز به استفاده از این منابع افزود. بهطوری که پس از آن چنان مصرف لجام گسیخته و اتلاف این منابع، آینده تیرهای در پیشرو است که در آن منابع سوخت پایان یافته است. این دور نما سبب شده تا درگوشه و کنار جهان بار دیگر امکان استفاده از انرژی خورشیدی و بکارگیری آن در گرمایش و سرمایش منازل مسکونی مورد توجه قرار گیرد. لذا با توجه به اهمیت موضوع، در این تحقیق به بررسی استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای گرمایشی و سرمایشی ساختمان یا سیسیتمهای خورشیدی پرداخته خواهد شد.
2- تعریف مواد تغییر فاز دهنده
انرژی حرارتی را به دو صورت انرژی گرمایی محسوس و نهان میتوان در مواد ذخیره نمود. در ذخیره انرژی محسوس انرژی حرارتی با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره میشود. میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم میباشد. ذخیره انرژی گرمایی توسط جسم بهصورت نهان به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز یا جامد به جامد صورت میگیرد. مواد تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره میکنند. همان طور که گفته شد ذخیرهسازی گرما از سه طریق تغییر فاز صورت میگیرد، در حالت اول که تغییر فاز از جامد به جامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک میباشد، مناسب نیست. در حالت دوم یعنی تغییر فاز مایع به گاز هم به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا و همچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمیباشد. اما تغییر فاز از جامد به مایع مناسب تر است که این ویژگی در مواد تغییر فاز دهنده PCM وجود دارد، که در دمای ثابت با جذب گرما از فاز جامد به مایع تبدیل میشوند. این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب میکنند، آزاد نیز میکنند. این مواد در دمای اتاق جامد هستند.
این مواد به یكی از ظرفیتهای خاص ذخیره انرژی در مصارف گوناگون تبدیل شدهاند. این مواد در سطح بسیار وسیعی در صنایع گوناگون شامل مخابرات، حمل و نقل، خودروها، ماهوارهها، پزشكی، نساجی، گلخانهها و دیگر موارد بهكار میروند. اولین گزارشها مبنی بر كاربرد این مواد در ساختمان از1940 به صورت نوظهور مطرح شد و سپس استفاده از این مواد در ساختمان از دهه 1980 بهصورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفت و امروزه استفاده از آنها در صنعت ساختمان از جایگاه ویژهای برخوردار شده است. این مواد را میتوان در ساختمان و در اجزایی مجزا برای كاربردهای گرمایش و سرمایش به كار برد از جمله كرکره، دیوار رو به خورشید، تخته گچ، سیستمهای گرمایش از كف و تختههای سقفی و یا دیوار ترومب.
3- چگونگی عملكرد مواد تغییر فاز دهنده
مواد در طبیعت در سه فاز مایع، جامد و گاز وجود دارند. در صورتی كه مادهای از یك فاز به فاز دیگر تغییر حالت دهد، مقداری گرما را كه گرمای نهان نامیده میشود، جذب یا آزاد مینماید. بهعنوان مثال، یك ماده جامد پس از گرم شدن و رسیدن به نقطه ذوب خود، به جذب حجم بالایی از انرژی (كه گرمای نهان ذوب نامیده میشود) پرداخته و حالت خود را از جامد به مایع تغییر میدهد. مواد تغییر فاز دهنده این خاصیت را دارند كه حالت خود را در یك دامنه دمایی مشخص تغییر دهند، به این مفهوم كه طی فرایند تغییر حالت، دمای خود را برای طول مدت تغییر حالت حفظ مینمایند.
در واقع، روش كار این مواد برای ذخیرهی انرژی گرمایی به این صورت است كه طی فرایند گرم شدن محیط، بهصورت موازی با محیط گرم میشوند تا زمانی كه به دمای ذوب خود (تغییر فاز) برسند. پس از رسیدن به این دما علیرغم اینكه دمای محیط همچنان به روند افزایشی خود ادامه میدهد، دمای این مواد و البته محیط اطراف آن به دلیل اینكه در حال تغییر فاز است، ثابت مانده و در برابر افزایش مقاومت مینماید. در واقع، طی این بازه زمانی كه معمولاً چند ساعت نیز به طول میانجامد، مواد تغییر فاز دهنده مقادیر زیادی از گرمای محیط را به خود جذب مینماید، ولی آن را صرف افزایش دمای خود نمیكند، بلكه این گرمای جذب شده را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع نموده و طی فرایند تغییر فاز، دمای خود و محیط اطراف خود را ثابت نگاه میدارد. این روند تغییرات دمایی و جذب انرژی گرمایی در شكل 1 به خوبی قابل مشاهده است. در منطقه مربع شكل سفید رنگ، فرایند تغییر فاز در حال شكل گرفتن بوده و در همین منطقه است كه انرژی گرمایی جذب شده توسط ماده درون آن ذخیره میشود.
شکل 1: عملکرد ماده تغییر فاز دهنده
در مواد تغییر فاز دهنده بهكار رفته در جداره ساختمان، اگر ماده انتخاب شده دمای ذوبی در محدوده دمایهمان منطقه در حوالی ظهر داشته باشد، فرایند تغییر فاز در طول روز در حدود ظهر كه دمای محیط به حداكثر خود میرسد، میتواند اتفاق بیفتد. بنابراین، پس از گرم شدن محیط و رسیدن آن به دمای حداكثر، مواد تغییر فاز دهنده در جداره نیز گرم شده و به نقطه ذوب خود میرسد، اما از این زمان به بعد، ماده مذكور به جذب انرژی گرمایی محیط ادامه میدهد ولی در برابر افزایش دمای خود و محیط اطراف خود مقاومت نموده و دما را در همان نقطه ذوب حفظ مینماید. این روند تا زمانی ادامه مییابد كه كل مواد تغییر فاز دهنده از حالت جامد به مایع تبدیل شود كه معمولاً چند ساعت به طول خواهد انجامید. پس از ذوب شدن كامل مواد تغییر فاز دهنده، مقاومت آن نیز در برابر افزایش دما از بین خواهد رفت، اما این اتفاق زمانی خواهد افتاد كه به دلیل گذشتن ساعات اوج گرمای روز، محیط هم روند گرمایشی خود را متوقف نموده است. بنابراین، با استفاده از این مواد در جداره ساختمان توانستهایم به طریقی از بار گرمایی محیط در ساعات اوج گرمایی بكاهیم.
عكس این اتفاق طی فرایند تشكیل جامد صورت میپذیرد، به این معنی كه علیرغم سرد شدن هوا در طی شب، مواد تغییر فاز دهنده پس از رسیدن به نقطه انجماد خود به دلیل آزادسازی گرمای نهان و تبدیل حالت از مایع به جامد در برابر كاهش دما مقاومت مینماید. این ماده از طریق آزادسازی گرمای جذب شده در طول روز، از كاهش دمای خود و محیط اطراف خود جلوگیری نموده و از این طریق نیز بخشی از بار سرمایشی محیط در طول ساعات سرد شب را كاهش خواهد داد. بنابراین، تنها با انتخاب هوشمندانه ماده تغییر فاز دهنده از نظر دمای تغییر فاز و كاربرد آن در جداره ساختمان میتوان براحتی و بدون استفاده از تجهیزات مكانیكی اضافه و تنها با استفاده از قابلیت طبیعی این مواد برای تغییر فاز، از مصرف انرژی سرمایش و گرمایش در ساعات اوج مصرف انرژی كاست كه این امر از طریق كاهش نوسانات دمای ساختمان و تامین نمودن دمای هوای متعادل تری در ساعات اوج گرما یا اوج سرما میسر میشود.
از نكات مهم در استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره گرما، دانسیته بالای این مواد در ذخیره انرژی گرمایی نسبت به سایر روشهای محسوس برای ذخیره انرژی گرمایی است. بهعنوان مثال، نوعی از این مواد در نقطه ذوب خود 190 كیلوژول انرژی را ذخیره میكند. برای ذخیره همین مقدار انرژی با استفاده از آب باید آن را تا 45 درجه سانتیگراد گرم كنیم و در صورت استفاده از بتن باید آن را تا 190 درجه سانتیگراد گرم كنیم تا همین مقدار انرژی ذخیره گردد. نمودار شكل 2 به سادگی به مقایسه تغییرات دمایی این سه ماده برای ذخیره میزان یكسانی از انرژی اشاره میكند.
شکل 2: مقایسه تغییرات دمایی در سه ماده مختلف برای ذخیره گرمایی یکسان
نقطه ذوب مواد تغییر فاز دهنده مختلف دامنه دمایی پهناوری از 30- تا 90 درجه سانتیگراد را پوشش میدهد كه مواد تغییر فاز دهندهای كه نقطه ذوبشان در بازه دمایی 20 تا 32 درجه سانتیگراد است، ظرفیت بهتری برای بكارگیری در ساختمان و تامین آسایش حرارتی دارند. علاوه بر آب، 500 نوع طبیعی یا مصنوعی از مواد تغییر فاز دهنده وجود دارد كه تفاوت آنها در دمای تغییر فاز و همچنین میزان گرمای نهان آنهاست. با انتخاب نوع مناسب این مواد بر اساس نوع اقلیم منطقه و متناسب با فصل، میتوان از این ماده جهت تعدیل هوای داخل ساختمان و لذا صرفه جویی طبیعی درصدهای بالایی از انرژی مصرفی برای سرمایش و گرمایش استفاده نمود.
4- استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای خورشیدی
یكی از ظرفیتهای مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی خورشیدی در ساختمانهایی است كه قابلیت جمعآوری انرژی خورشیدی با استفاده از گردآورندههای خورشیدی را دارا هستند. در صورت استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در چنین سیستمهایی، میتوان حجم بالایی از انرژی خورشیدی را در طول ساعات روز ذخیره نموده و در طول ساعات شب از همین انرژی برای گرمایش استفاده نمود. مواد تغییر فاز دهنده در این سیستمها معمولاً در محفظههای نازكی كه با آرایش صفحهای روی هم قرار گرفتهاند، نگهداری میشوند (شکل 3) و سپس سیال انتقال حرارت از بین این صفحات و در تماس غیرمستقیم با این مواد حركت میكند.
توجه:
برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.
به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.
سفارش تحقیق
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.