جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای افشین مشایخ)
موضوع: طراحی مبدل حرارتی مناسب با مواد تغییر فاز دهنده (PCM) جهت خنک کاری باتری خودروهای الکتریکی هنگام شارژ سریع
ارائه دهنده: افشین مشایخ
استادان راهنما: دکتر محمدرضا سلیم پور
استادان مشاور: دکتر محسن ثقفیان
استادان داور: دکتر محسن دوازده امامی – دکتر احمد سوهانکار
چکیده:
خودروهای الکتریکی برای رشد هر چه بیشتر و همه‌گیری عمومی در جوامع مختلف موانع زیادی بر سر راه دارند. یکی از عمده‌ترین این موانع، مسئله شارژ کردن باتری خودرو می‌باشد که باید در کم‌ترین زمان ممکن انجام گیرد. کاهش زمان شارژ باتری موجب افزایش دما و حرارت تولیدی در سلول‌های باتری می‌شود که در صورت عدم دفع حرارت و کنترل دما، آسیب‌های جدی به باتری و خودرو وارد می‌گردد؛ بنابراین طراحی و استفاده از یک سیستم مدیریت حرارت باتری ویژه‌ی فرآیند شارژ سریع در خودروهای الکتریکی امری اجتناب‌ناپذیر است. از طرفی یکی از روش‌های رایج جهت خنک کاری وسایل الکتریکی از قبیل باتری‌های لیتیم-یونی، استفاده از مواد تغییر فاز دهنده یا به‌اختصار PCM می‌باشد. PCM-ها به دلیل گرمای نهان بالا می‌توانند حین تغییر فاز، حرارت زیادی را در دمای تقریباً ثابت جذب یا دفع نمایند. در این پژوهش سعی شده است تا با استفاده از شبیه‌سازی عددی یک مبدل حرارتی مناسب با مواد تغییر فاز دهنده (PCM) جهت خنک کاری باتری خودروهای الکتریکی هنگام شارژ سریع طراحی شود. مبدل حرارتی به شکل لوله-پوسته طراحی شده است به شکلی که جریان سیال از درون داکت‌های مربعی شکل عبور می‌کند و فضای پوسته از PCM پر شده است. نحوه کار به این شرح است که حرارت از باتری به‌وسیله یک سیال واسط (مانند آب) جذب می‌شود و سپس با عبور از مبدل حرارتی، حرارت جذب شده را به PCM داده و موجب ذوب شدن آن می‌گردد. به‌این‌ترتیب حرارت از باتری خودرو دفع می‌گردد. پس از اتمام فرآیند شارژ جریان هوا در درون مبدل حرارتی به وجود می‌آید تا با جذب حرارت از PCM سبب انجماد PCM و آماده‌سازی مبدل حرارتی برای ایستگاه شارژ بعدی گردد. شبیه‌سازی مسئله به‌صورت هندسه سه‌بعدی و گذرا و با استفاده از نرم‌افزار ANSYS-Fluent و مدل حل گر Solidification & Melting انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که کاهش ضخامت لایه PCM حول داکت سیال، کاهش طول مبدل حرارتی و آشفته نمودن جریان آب ورودی به مبدل حرارتی، موجب بهبود نرخ حرارت جذب شده توسط سیستم مبدل حرارتی می‌گردد. به‌علاوه جهت جانمایی راحت‌تر مبدل حرارتی در فضای خودرو از مدل‌های چند مسیره استفاده شده است. نتایج این مدل‌ها نشان می‌دهد که افزایش عدد رینولدز جریان آب در محدوده جریان آشفته، کمک شایانی به بهبود شرایط انتقال حرارت نمی‌کند و تنها موجب افزایش افت فشار در جریان آب خواهد شد. لذا مدل دو مسیره به‌عنوان مدل و هندسه بهینه در مرحله ذوب شدن PCM انتخاب شده است. در قدم بعدی، این مدل برای مرحله انجماد PCM و با استفاده از جریان هوای سیستم تهویه مطبوع خودرو بررسی شده است و نتیجه به‌دست‌آمده حاکی از انجماد کل PCM قبل از حد زمانی موردنظر می‌باشد؛ بنابراین مدل دو مسیره به‌عنوان ساختار بهینه مبدل حرارتی هم در مرحله جذب حرارت از باتری (ذوب شدن PCM) و هم در مرحله دفع حرارت به محیط (انجماد PCM) انتخاب می‌گردد.