بررسی عددی تأثیر مواد تغییر فاز دهنده حاوی نانو ذرات لوله کربنی چند جداره در بهبود عملکرد چاه حرارتی تجهیزات الکتریکی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک ، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

چکیده

چاه‌های حرارتی همواره در خنک‌سازی تجهیزات الکتریکی نقش مهمی ایفا می‌کنند. دراین پژوهش در یک رویکرد جدید از پارافین به عنوان ماده تغییر فاز دهنده با توجه به محدوده دمای تغییر فاز مناسب با نانوذرات لوله کربنی چند جداره به‌صورت همگن در یک چاه حرارتی استفاده شده است. برای مدل‌سازی و حل معادلات حاکم از نرم‌افزار انسیس فلوئنت با روش حجم محدود و الگوریتم پیزو استفاده‌شده است. فرآیند ذوب ماده تغییر فاز دهنده به‌صورت عددی با اعمال سه شار حرارتی 10000، 20000 و 30000 وات بر مترمربع به کمک روش آنتالپی-تخلخل در فضای سه‌بعدی بررسی شده‌است. بر اساس نتایج به‌دست آمده در حین فرآیند تغییر فاز، اضافه نمودن نانو‌ذرات با درصدهای حجمی 4، 6 و 8 درصد، عملکرد بهتری در جهت کاهش دمای تغییر فاز داشته‌است. پس از اتمام فرآیند تغییر فاز تغییر فاز، افزایش درصد حجمی نانو ذرات همیشه تاثیر مثبتی نداشته و از میان گزینه‌های پیشنهادی نانوذره با کسر حجمی 4 درصد بهترین عملکرد را داشته است. ایجاد این شرایط ناشی از افزایش انتقال حرارت هدایتی در ماده تغییر فاز دهنده بدلیل کاهش‌ لزجت می‌باشد. به طور کلی افزودن 8 درصد نانوذره، زمان ذوب کامل را 15 درصد نسبت به ماده تغییر فاز دهنده خالص افزایش‌ داده است.

کلیدواژه‌ها


[1]. Ling, Z., Zhang, Z., Shi, G., Fang, X., Wang, L., Gao, X., ... & Liu, X. (2014). Review on thermal management systems using phase change materials for electronic components, Li-ion batteries and photovoltaic modules. Renewable Sustainable Energy Rev, 31, 427-438.
[2]. Kardam, A., Narayanan, S. S., Bhardwaj, N., Madhwal, D., Shukla, P., Verma, A., & Jain, V. K. (2015). Ultrafast thermal charging of inorganic nano-phase change material composites for solar thermal energy storage. RSC Adv, 5(70), 56541-56548.
[3]. Elarem, R., Mellouli, S., Abhilash, E., & Jemni, A. (2017). Performance analysis of a household refrigerator integrating a PCM heat exchanger. Appl. Therm. Eng, 125, 1320-1333.
[4]. Khanna, S., Reddy, K. S., & Mallick, T. K. (2018). Optimization of solar photovoltaic system integrated with phase change material. Sol Energy, 163, 591-599.
[5]. Desai, A., Singh, V. K., & Bhavsar, R. R. (2017). Numerical investigation of pcm based thermal control module for space applications. (IHMTC-2017). Begel House Inc.
[6] Chu, R. C., & Simons, R. E. (1993). Recent development of computer cooling technology. In Transport Phenomena in Thermal Engineering. Volume 2. Begell House.
[7] Tharwan, M. Y., & Hadidi, H. M. (2022). Experimental investigation on the thermal performance of a heat sink filled with PCM. Alex. Eng. J, 61(9), 7045-7054.
[8]. Huang, P., Wei, G., Cui, L., Xu, C., & Du, X. (2022). Experimental and numerical optimization of cascaded PCM heat sink by using low melting point alloys. Energy Convers. Manag, 269, 116149.
]9[ عیسی پور درزی, م., حسینی کهساری, س. م. ج., رنجبر, ع. ا., و پهم لی, ی. (2016). اثر افزایش تعداد و چیدمان لوله‏های سیال گرم بر رفتار ذوب ماده تغییر فاز دهنده در مبدل حرارتی سه لوله‏ای، مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها. 6(4), 249-262.
[10]. Patel, A., & Singh, V. K. (2022). Numerical investigation of a novel phase change material based heat sink with double sided spiral fins. ICHMT, 138, 106342.
[11] Akhilesh, R., Narasimhan, A., & Balaji, C. (2005). Method to improve geometry for heat transfer enhancement in PCM composite heat sinks. ICHMT, 48(13), 2759-2770.
[12] Wang, Y. H., & Yang, Y. T. (2011). Three-dimensional transient cooling simulations of a portable electronic device using PCM (phase change materials) in multi-fin heat sink. NRG, 36(8), 5214-5224.
[13]. Hosseinizadeh, S. F., Tan, F. L., & Moosania, S. M. (2011). Experimental and numerical studies on performance of PCM-based heat sink with different configurations of internal fins. Appl. Therm. Eng, 31(17-18), 3827-3838.
[14] Sheikholeslami, M., Nimafar, M., & Ganji, D. D. (2017). Analytical approach for the effect of melting heat transfer on nanofluid heat transfer. EPJ Plus, 132(9), 1-12.
[15] Kumar, P. M., Saminathan, R., Sumayli, A., Mittal, M., Abishek, A. S., Kumaar, A. A., ... & Rinawa, M. L. (2022). Experimental analysis of a heat sink for electronic chipset cooling using a nano improved PCM (NIPCM). Mater Today: Proceedings, 56, 1527-1531.
[16]. Jalil, J. M., Mahdi, H. S., & Allawy, A. S. (2022). Cooling performance investigation of PCM integrated into heat sink with nano particles addition. J. Energy Storage, 55, 105466.
[17] Raj, C. R., Suresh, S., Vasudevan, S., Chandrasekar, M., Singh, V. K., & Bhavsar, R. R. (2020). Thermal performance of nano-enriched form-stable PCM implanted in a pin finned wall-less heat sink for thermal management Energy Convers. Manag, 226, 113466.
[18] Ho, C. J., Guo, Y. W., Yang, T. F., Rashidi, S., & Yan, W. M. (2020). Numerical study on forced convection of water-based suspensions of nanoencapsulated PCM particles/Al2O3 nanoparticles in a mini-channel heat sink. ICHMT, 157, 119965.
[19] Arshad, A., Jabbal, M., Sardari, P. T., Bashir, M. A., Faraji, H., & Yan, Y. (2020). Transient simulation of finned heat sinks embedded with PCM for electronics cooling. TSEP, 18, 100520.
[20] Farahani, S. D., Farahani, A. D., & Hajian, E. (2021). Effect of PCM and porous media/nanofluid on the thermal efficiency of microchannel heat sinks. ICHMT, 127, 105546.
[21] Wang, S., Xing, Y., Hao, Z., Yin, J., Hou, X., & Wang, Z. (2021). Experimental study on the thermal performance of PCMs based heat sink using higher alcohol/graphite foam. Appl. Therm. Eng, 198, 117452.
[22] Sebti, S. S., Mastiani, M., Mirzaei, H., Dadvand, A., Kashani, S., & Hosseini, S. A. (2013). Numerical study of the melting of nano-enhanced phase change material in a square cavity. J. Zhejiang Univ. Sci, A, 14(5), 307-316.
[23] Ebrahimi, A., & Dadvand, A. (2015). Simulation of melting of a nano-enhanced phase change material (NePCM) in a square cavity with two heat source–sink pairs. Alex. Eng. J, 54(4), 1003-1017.
[24]. Arshad, A., Jabbal, M., Faraji, H., Talebizadehsardari, P., Bashir, M. A., & Yan, Y. (2022). Thermal performance of a phase change material-based heat sink in presence of nanoparticles and metal-foam to enhance cooling performance of electronics. J. Energy Storage, 48, 103882.
[25]. ul Hasnain, F., Irfan, M., Khan, M. M., Khan, L. A., & Ahmed, H. F. (2021). Melting performance enhancement of a phase change material using branched fins and nanoparticles for energy storage applications. J. Energy Storage, 38, 102513.
[26]. Nitsas, M., & Koronaki, I. P. (2021). Performance analysis of nanoparticles-enhanced PCM: An experimental approach. TSEP, 25, 100963.
[27] Hirt, C. W., & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys, 39(1), 201-225.
[28] Brent, A. D., Voller, V. R., & Reid, K. T. J. (1988). Enthalpy-porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: application to the melting of a pure metal. Numer. Heat Transf, Part A Applications, 13(3), 297-318.
[29] Humphries, W. R., & Griggs, E. I. (1977). A design handbook for phase change thermal control and energy storage devices (No. NASA-TP-1074).
[30] Chow, L. C., Zhong, J. K., & Beam, J. E. (1996). Thermal conductivity enhancement for phase change storage media. ICHMT, 23(1), 91-100.
[31]  Valan, A. A., Sasmito, A. P., & Mujumdar, A. S. (2013). Numerical performance study of paraffin wax dispersed with alumina in a concentric pipe latent heat storage system. Therm. Sci, 17(2), 419-430.
[32]  Vajjha, R. S., Das, D. K., & Namburu, P. K. (2010). Numerical study of fluid dynamic and heat transfer performance of Al2O3 and CuO nanofluids in the flat tubes of a radiator. Int J Heat Fluid Flow, 31(4), 613-621.
[33] Shirasu, K., Yamamoto, G., Tamaki, I., Ogasawara, T., Shimamura, Y., Inoue, Y., & Hashida, T. (2015). Negative axial thermal expansion coefficient of carbon nanotubes: Experimental determination based on measurements of coefficient of thermal expansion for aligned carbon nanotube reinforced epoxy composites. Carbon, 95, 904-909.
[34]. Shaikh, S., Lafdi, K., & Hallinan, K. (2008). Carbon nanoadditives to enhance latent energy storage of phase change materials. J. Appl. Phys, 103(9), 094302.
[35]. Shatikian, V., Ziskind, G., & Letan, R. (2008). Numerical investigation of a PCM-based heat sink with internal fins: constant heat flux. ICHMT, 51(5-6), 1488-1493.
[36]. Sourtiji, E., Ganji, D. D., & Seyyedi, S. M. (2015). Free convection heat transfer and fluid flow of Cu–water nanofluids inside a triangular–cylindrical annulus. Powder Technol, 277, 1-10.