بررسي تجربي و مدل سازي عددي فرآيند ذخيره سازي انرژي حرارتي توسط ماده تغيير فاز دهنده تحت زواياي مختلف محفظه

Experimental investigation and numerical simulation of thermal energy storage in phase change material under different tilt angles of the enclosure

در اين تحقيق فرآيند ذوب ماده تغيير فاز دهنده در داخل محفظه مستطيل شكل به صورت تجربي و عددي مورد مطالعه قرار مي گيرد. هدف از اين تحقيق بررسي نقش زاويه قرارگيري محفظه بر تشكيل ساختار هاي جريان جابجايي آزاد در فاز مايع و تاثير آن بر نرخ ذوب ماده تغيير فاز دهنده است. در بخش تجربي آشكارسازي فرآيند ذوب با تصوير برداري از ماده تغيير فاز دهنده در يك محفظه شفاف انجام مي گيرد. سپس با استفاده از روش پردازش تصويري، كسر مايع در لحظات مختلف به دست مي آيد. تغيير در شكل سطح مشترك جامد-مايع به خوبي نشان دهنده تغيير ساختار جريان هاي جابجايي در داخل محفظه مي باشد. مدل سازي عددي فرآيند به روش انتالپي-تخلخل براي زواياي 90، 45 و 0° و در دماهاي 55، 60 و ℃ 70انجام مي شود. نتايج نشان مي دهد با كاهش زاويه مخزن از 〖90〗^o به〖45〗^o و 0^o زمان ذوب ماده تغيير فاز دهنده به ترتيب به ميزان 52% و 37% نسبت به محفظه عمودي كاهش مي يابد. كاهش زمان ذوب در محفظه با كاهش زاويه به دليل ظهور جريان هاي گردابه اي و تشكيل توده هاي حرارتي در فاز مايع است. با افزايش عدد استفان از 0.36 به 0.43 و 0.55 ميزان انرژي ذخيره شده به ترتيب به ميزان 5.4% و 13.8% افزايش مي يابد. همچنين با استفاده از رگرسيون غير خطي داده ها رابطه اي جهت پيش بيني انرژي ذخيره شده در مخزن براي اعداد استفان و زواياي مختلف مورد بررسي در اين تحقيق به دست آمده است.

This paper presents an experimental and numerical investigation of phase change material melting in a rectangular enclosure. The aim of this research is the study of the effect of the tilt angle of the enclosure on the flow structures and the melting rate. In the experimental section, the visualization of the melting process is carried out by the photography of the phase change material through a transparent enclosure. Then, the image processing of the photographs is performed to calculate the instantaneous liquid fractions. The variation of the solid-liquid interface by tilting the enclosure clearly implies the evolution of the flow structures in the liquid phase. Numerical simulation is performed using the enthalpy-porosity approach for tilt angles of 90, 45 and 0o and wall temperatures of 55, 60 and 70 oC. The results show that by decreasing the tilt angle from 90o to 45o and 0o, the melting times are 52% and 37% less than that of the vertical enclosure. Melting time reduction in the inclined enclosure is due to the formation of the vertical flow structures and thermal plums in the liquid phase. By increasing the Stefan number from 0.36 to 0.43 and 0.55 the thermal energy storage increase by 5.4% and 13.8%, respectively. Also, a correlation is developed to predict the thermal energy storage in the tilt enclosures using nonlinear regression.