فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
سال دهم شماره 3 (پیاپی 37، پاییز 1402)

  • تاریخ انتشار: 1403/01/09
  • تعداد عناوین: 6
|
  • هادی غائبی*، نسیم بشیری، محسن مصطفایی، میثم نجفی ارشادی، بهزاد عباس زاده صفحات 1-18

    در این مقاله، یک سیستم نوین تولید چندگانه بر مبنای سیکل micro-CCHP با منبع حرارتی زیست توده ارایه شده است. در این سیستم پیشنهادی، از زیرسیستم های سیکل تبرید جذبی و سیستم آب شیرین کن به منظور افزایش بازده سیکل مبنا و کاهش اتلافات استفاده شده است. مدل سازی جامع ترمودینامیکی بر روی سیستم پیشنهادی صورت گرفته است. همچنین اعتبارسنجی زیرسیستم ها و بهینه سازی سیستم با روش الگوریتم ژنتیک توسط نرم افزار EES انجام شده است. نتایج نشان می دهد که در بین اجزای سیستم، رطوبت زدا بیشترین تخریب اگزرژی را دارد. اثر پارامترهای دمای اواپراتور1، غلظت آمونیاک، دمای ابزوربر، اختلاف دمای هیتر، فشار ژنراتور1 و دمای منبع حرارتی روی عملکرد سیستم انجام شده است. براساس مطالعه پارامتریک، با افزایش دمای اواپراتور1، بازده انرژی سیستم افزایش می یابد. بیشترین مقدار بازده انرژی و اگزرژی سیستم کل در محدوده دمای منبع حرارتی بین 750-740 کلوین، برابر 2/74 و 7/47 می باشد. بازده انرژی و اگزرژی سیستم مربوط به حالت پایه به ترتیب برابر، 68/70 و 32/44 و در حالت بهینه سازی با مد MOOD، به ترتیب 91/87 و 3/49 می باشد.

    کلیدواژگان: بهینه سازی تولیدچندگانه CCHP تبرید جذبی آب شیرین کن
  • مسعود معدل، مجید عمید پور*، زهرا عابدی، علیرضا حاجی ملا علی کنی صفحات 19-36

    در این مقاله یک چارچوب جدید بر اساس مدل سازی سیستم انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط ایجاد شده است که هدف آن پیش بینی و ارایه چشم انداز از همبست انرژی و محیط زیست برای زیر بخش های اقتصادی تحت سناریوهای محتمل است. مدل سازی همبست از روش پایین به بالا با استفاده از نرم افزار Long-range Energy Alternative Planning (LEAP) از سال 2016 تا 2040 میلادی انجام شده است. داده های جمعیتی و اقتصادی حوضه آبریز ارومیه، که از محرک های تقاضای انرژی است، گردآوری و بعنوان مطالعه موردی استفاده شد. نتایج بر اساس تجزیه و تحلیل انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای تحت سناریوهای مختلف نشان داده است که بیشترین پتانسیل صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار به ترتیب معادل 27.76 میلیون بشکه معادل نفت خام و 11.3 میلیون تن معادل دی اکسید کربن تحت سناریوی سیاست های یکپارچه است. تحلیل حساسیت کل تقاضای انرژی به تغییرات اجتماعی و اقتصادی بیانگر افزایش میانگین 3 و 2 درصد به ازای هر واحد افزایش جمعیت و تولید ناخالص داخلی است. تجزیه و تحلیل هزینه- فایده برای اقدامات بهره ورانه تحت سناریوی مذکور، چنانچه نرخ بهره کمتر از 8٪ باقی بماند حداکثر ارزش خالص کنونی را در پی دارد.

    کلیدواژگان: مدل سازی سیستم انرژی، همبست انرژی و محیط زیست، بهره وری انرژی، تغییر اقلیم، تحلیل هزینه و فایده
  • جواد طاهراحمدی، یونس نورالهی*، مصطفی پناهی صفحات 37-55

    در سال های اخیر، کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای در بخش ساختمان، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. مانند سایر نقاط دنیا، بخش ساختمان در ایران نیز سهم زیادی از مصرف انرژی را بخود اختصاص داده است. در نتیجه ساختمان های کم مصرف و حتی انرژی صفر، به عنوان راه حل جایگزین در حل این مشکل، مورد توجه دانشمندان، محققان و سیاستگذاران قرار گرفته اند. یکی از چالش های اصلی در طراحی ساختمان انرژی صفر، یافتن بهترین ترکیب از راهکارهای پسیو جهت کاهش مصرف و بهینه سازی عملکرد انرژی در ساختمان است به گونه ای که عملکرد انرژی ساختمان و آسایش حرارتی ساکنان را تحت تاثیر منفی قرار ندهد. این مقاله یک روش برای بهینه سازی چند هدفه و چند متغیره مبتنی بر شبیه سازی ساختمان ارایه می دهد که در سه مرحله اصلی انجام شده است: شبیه سازی مصرف انرژی ساختمان، فرآیند بهینه سازی دو هدفه و تصمیم گیری چند معیاره طراحی ساختمان انرژی صفر با کاربرد انرژی های تجدیدپذیر. پارامترهای طراحی مورد بررسی عبارتند از: جهت ساختمان، زاویه و عمق و طول بیرون زدگی سایه بان ها، ضخامت عایق دیوارهای خارجی، نقاط تنظیم دمای سرمایش و گرمایش، نسبت مساحت پنجره به دیوار، ضریب انتقال حرارت پنجره ها و ضخامت عایق سقف. علاوه بر این، منابع انرژی های تجدیدپذیر در نظر گرفته شده عبارتند از: پنل های فتوولتاییک و توربین بادی. به منظور دستیابی به ساختمان انرژی صفر خالص با در نظر گرفتن حفظ آسایش حرارتی ساکنین، الگوریتم ژنتیک چند هدفه با مرتب سازی نامغلوب استفاده شده است. در نهایت جهت تعیین بهینه ترین پاسخ در نمودار پارتو از روش حذف و انتخاب سازگار با واقعیت استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که شرایط اقلیمی و انتخاب مناسب پارامترهای معماری در کاهش مصرف انرژی ساختمان بسیار مهم و حیاتی هستند. بر اساس نتایج، بکارگیری راهکارهای بهینه سازی انرژی در شهر تهران، منجر به کاهش 25.3 درصدی در مصرف انرژی می شود. علاوه بر این، پتانسیل قابل توجهی برای استفاده از سیستم فتوولتاییک در شهر تهران برای تامین انرژی مورد نیاز منازل وجود دارد.

    کلیدواژگان: ساختمان انرژی صفر خالص، بهینه سازی چند هدفه، اقلیم معتدل، سیستم های انرژی تجدیدپذیر، آسایش حرارتی
  • سبحان ایزدپناه*، فریور فاضل پور، محمد افتخاری یزدی صفحات 57-78

    امروزه روش های فعال و غیرفعال گوناگونی با هدف کاهش مصرف انرژی و در نتیجه کاهش آلودگی هوا در ساختمان معرفی و مورد استفاده قرار می گیرند، اجرای سقف سبز در ساختمان و استفاده توامان از پنل های فتوولتاییک و مواد تغییر فازدهنده به همراه این سقف و پنجره و نمای سه جداره، عامل کاهش مصرف انرژی تا بیش از 70% می باشد، البته انتخاب نوع و نحوه ی به کارگیری مواد تغییر فازدهنده تابع شرایط آب و هوایی می باشد، لذا در این پژوهش برای نخستین مرتبه در ساختمان مجهز به فناوری های مذکور، بهینه سازی با کمک الگوریتم ژنتیک و با هدف کاهش توامان بار سرمایشی و گرمایشی مورد نیاز ساختمان، انجام گرفته و برای سه تنوع آب هوایی مستقر در ایران تکرار شده است. در نتیجه ی این اقدام بیشترین میزان صرفه جویی انرژی 7/73% حاصل شده است. کاهش بار سرمایشی تا 24% و کاهش بار گرمایشی تا 2/92% در آب و هوای گرم و خشک کویری رویت شده و از طرفی بر اساس نتایج بهینه سازی های انجام شده، کاهش تولید کربن دی اکسید نیز حداکثر 6/60 % و در تهران رخ داده است.

    کلیدواژگان: بهینه سازی مصرف انرژی، سقف سبز، ماده تغییر فازدهنده، نمای سه جداره، فتوولتاییک
  • علی مهاجر، محمدحسن نوبختی*، علیرضا نظام آبادی صفحات 79-95

    با توجه به اهمیت بهبود انتقال حرارت در مبدل های حرارتی، تاثیر استفاده همزمان از آشوبگرها و همچنین نانوذرات اکسید زیرکونیوم بر انتقال حرارت مبدل حرارتی لوله ای به صورت عددی مورد مطالعه قرار می گیرد. بدین منظور، در ابتدا یک نوع جدید آشوبگر مخروطی شکل ناقص دارای دو ردیف موازی سوراخ بر روی آن ارایه شده است. سپس، با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی معادلات انتقال حرارت در محدوده اعداد رینولدز 4000 تا 24000 و همچنین میزان نانوذرات اکسید زیرکونیوم از 0.01% تا 0.2% حل شده است. به منظور افزایش دقت مدل سازی، نانوسیال به صورت دوفازی شبیه سازی شده است. اثر پارامترهایی نظیر تعداد آشوبگرها، تعداد سوراخ های آن و کسرحجمی نانوذرات و بر روی میدان جریان، عدد ناسلت میانگین، فاکتور اصطکاک و ضریب عملکرد حرارتی بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که استفاده از آشوبگرهای سوراخ دار در مسیر جریان منجر به تغییرات قابل ملاحظه ای در مشخصه های جریان و انتقال حرارت می شود. آشوبگرهای مخروطی سوراخ دار با ایجاد جریان های گردشی مجدد و جدایشی در حضور نانوسیال باعث بهبود انتقال حرارت در نتیجه برهم زدن لایه مرزی حرارتی و ایجاد ختلال بیشتر در جریان سیال در طول مبدل حرارتی لوله ای می شود. آشوبگرهای ارایه شده در این تحقیق در  صورت تعیین مناسب پارامترها می تواند عملکرد حرارتی را تا 76 درصد نسبت به لوله صاف افزایش دهند. حداکثر ضریب عملکرد حرارتی برابر 1.76 در حالت M=1، N=1 و Re=4000 به دست آمده است.

    کلیدواژگان: آشوبگرها مخروطی ناقص، نانوذرات اکسید زیرکونیوم، مدل دوفازی، انتقال حرارت، ضریب عملکرد حرارتی
  • علی دژدار، احسان الله عصاره*، علی ارشادی، احمد عرب کوهسار صفحات 97-125

    در پژوهش حاضر به آنالیز یک سیستم تجدید پذیر مبتنی بر انرژی بادی، خورشیدی و زمین گرمایی با ترکیبی هدفمند از واحدهای پیل سوختی، پمپ حرارتی، الکترولایزر غشای تبادل پروتون، توربین بخار و اسمز معکوس پرداخته شد. مدل سازی و شبیه سازی گذرا سیستم پیشنهادی با استفاده از نرم افزار TRNSYS انجام می شود. این سیستم برای تامین نیازهای یک مجتمع مسکونی 80 واحد مسکونی و 320 نفر به انرژی الکتریکی، سرمایش و گرمایش طراحی و بررسی شد. یک بررسی موردی جهت امکان سنجی راه اندازی سیستم پیشنهادی در شهر ساحلی بندرانزلی در کشور ایران انجام شد. بهینه سازی عملکرد سیستم با تعیین دو تابع هدف توان تولیدی و هزینه چرخه عمر سیستم با روش سطح پاسخ و نرم افزار دیزاین اکسپرت انجام شد. پنج پارامتر تاثیرگذار بر روی عملکرد سیستم شامل تعداد توربین بادی، تعداد پنل خورشیدی، ظرفیت پیل سوختی، ظرفیت توربین بخار و ظرفیت الکترولایزر غشای تبادل پروتون به عنوان متغیرهای بهینه سازی انتخاب شدند. سیستم در بهینه ترین حالت خود می تواند به توان تولیدی 3036105.022 کیلووات ساعت و هزینه چرخه عمر 781944.254 دلاری برسد. نتایج زیست محیطی نشان داد که با راه اندازی سیستم در حالت بهینه و در شهر بندرانزلی و تولید برق به میزان 3036.1 مگاوات سالیانه می توان به گسترش 3 هکتاری فضای سبز در سال کمک کرد و به کاهش انتشار کربن دی اکسید به میزان 619.36 تن کربن دی اکسید با هزینه 14864.74 دلار کمک کرد.

    کلیدواژگان: مزرعه بادی، مزرعه خورشیدی، زمین گرمایی، پیل سوختی، پمپ حرارتی، بهینه سازی چندهدفه، TRNSYS
|
  • Hadi Ghaebi*, Nasim Bashiri, Mohsen Mostafaei, Meysam Najafi Ershadi, Behzad Abbaszadeh Pages 1-18

    In this paper, a new biomass multi-generation system based on micro-CCHP using an absorption refrigeration cycle and a desalination system, are presented to increase the performance of the basic cycle and to reduce the thermal wastes. A thermodynamic comprehensive modeling was done on the proposed system. also validation of subsystems and optimization of the system was done by genetic algorithm method with EES software. The results show that the dehumidifier has the highest exergy destruction among the other components of the system. The impact of the various system parameters such as; Evaprator1 temperature, Ammonia mass fraction, Absorber temperature, Difference temperature of heater, Generator1 pressure and heat source temperature is also done on the performance of the system. The parametric study show that by increasing the evaprator1 temperature, the energy efficiency of the system is increased. The maximum amount of energy and exergy efficiency of the system is 74.2% and 47.7%, respectively that occur at the 750-740 kelvin of heat source temperature. The energy and exergy efficiency of the base and MOOD case is 68.7% and 44.32%, 91.87% and 49.3%, respectively

    Keywords: Optimization, Multi-generation, CCHP, Absorption refrigeration, Desalination
  • Masoud Moadel, Majid Omidpour*, Zahra Abedi, Alireza Kani Pages 19-36

    In this article, a new framework has been developed based on the modeling of the energy system and related greenhouse gas emissions, which aims to predict and provide a perspective of energy and environment correlation for economic sub-sectors under possible scenarios. Nexus modeling has been done by the bottom-up method using the Long-range Energy Alternative Planning (LEAP) software from 2016 to 2040. Demographic and economic data of Urmia watershed, which is one of the drivers of energy demand, was collected and used as a case study. The results based on the analysis of energy and greenhouse gas emissions under different scenarios have shown that the greatest potential for saving energy and reducing emissions is 27.76 million barrels of crude oil equivalent and 11.3 million tons of carbon dioxide equivalents respectively under the scenario of integrated policies. Analysis of the sensitivity of the total energy demand to social and economic changes shows an average increase of 3 and 2 percent per unit of increase in population and GDP. A cost-benefit analysis for productive measures under the mentioned scenario results in the maximum net present value if the interest rate remains below 8%.

    Keywords: Energy system modeling, Energy, environment Nexus, Energy productivity, Climate change, Cost benefit analysis
  • Javad Taher Ahmadi, Yunus Nurollahi*, Mustafa Panahi Pages 37-55

    In recent years, reducing energy consumption and greenhouse gas emissions in the building sector has attracted a lot of attention. As in other parts of the world, the construction sector in Iran also has a large share of energy consumption. As a result, low consumption and even zero energy buildings, as an alternative solution in solving this problem, have attracted the attention of scientists, researchers and policy makers. One of the main challenges in designing a zero energy building is to find the best combination of passive solutions to reduce consumption and optimize energy performance in the building in such a way that the energy performance of the building and the thermal comfort of the residents are not negatively affected. This article presents a method for multi-objective and multi-variable optimization based on building simulation, which is carried out in three main stages: building energy consumption simulation, two-objective optimization process and multi-criteria decision making for zero energy building design using renewable energy sources. Reproducible. The studied design parameters are: direction of the building, angle and depth and length of the protrusion of the shades, insulation thickness of external walls, temperature adjustment points for cooling and heating, ratio of window to wall area, heat transfer coefficient of windows and thickness of roof insulation. In addition, the considered renewable energy sources are: photovoltaic panels and wind turbines. In order to achieve a net zero energy building, considering maintaining the thermal comfort of the residents, a multi-objective genetic algorithm with non-dominated sorting has been used. Finally, in order to determine the most optimal answer in the Pareto diagram, the elimination and selection method compatible with reality has been used. The results show that climatic conditions and the appropriate selection of architectural parameters are very important and vital in reducing building energy consumption. Based on the results, the use of energy optimization solutions in Tehran leads to a 25.3% reduction in energy consumption. In addition, there is a significant potential for the use of photovoltaic systems in Tehran to provide energy for homes.

    Keywords: Net Zero Energy Building, Multi-objective optimization, Moderate climate, Renewable energy systems, Thermal comfort
  • Sobhan Izadpanah*, Farivar Fazelpour, Mohammad Eftekhari Yazdi Pages 57-78

    Nowadays different kind of active and passive methods used in order to reduce energy consumption and air pollution in buildings. Simultaneous use of phase-change material (PCM) and green roofs with triple-skin facades (TSF) and triple glazed windows (TGW) in residential buildings equipped with Building-integrated photovoltaics (BIPV) can lead to 70% annual energy saving. On the other hand, PCM type and applying methods in different climate conditions impacts energy saving in these conditions. So for the first time, in this research Multi objective optimization of a residential buildings equipped with above technologies was done by the help of genetic algorithm. Reduction of required heating and cooling loads was chosen as optimization’s objectives and three climate conditions of Iran was selected. Results indicate that maximum energy saving is 73.3%. Maximum Cooling load reduction is 92.2% which is happened in biome-dry tropical climate conditions. In addition, Maximum reduce in Co2 emission is 60.6% for Tehran.

    Keywords: Magnetic nanofluid, Quarter-circle cavity, Free convection, 3D solution, Lorentz force
  • Ali Mohajer, MohammadHassan Nobakhti *, Alireza Nizamabadi Pages 79-95

    Considering the importance of improving heat transfer in heat exchangers, the effect of simultaneous use of agitators and also zirconium oxide nanoparticles on the heat transfer of tubular heat exchanger is studied numerically. For this purpose, at first, a new type of incomplete conical agitator with two parallel rows of holes is presented. Then, using the computational fluid dynamics method, heat transfer equations have been solved in the range of Reynolds numbers 4000 to 24000 and also the amount of zirconium oxide nanoparticles from 0.01% to 0.2%. In order to increase the modeling accuracy, the nanofluid has been simulated in a two-phase form. The effect of parameters such as the number of agitators, the number of holes and the volume fraction of nanoparticles on the flow field, the average Nusselt number, the friction factor and the thermal performance coefficient have been investigated. The results show that the use of perforated agitators in the flow path leads to significant changes in the flow characteristics and heat transfer. Perforated conical agitators improve heat transfer by creating recirculation and separation currents in the presence of nanofluid as a result of disrupting the thermal boundary layer and causing more disturbance in the fluid flow during the tubular heat exchanger. The agitators presented in this research can increase the thermal performance by 76% compared to the smooth pipe if the parameters are determined properly. The maximum coefficient of thermal performance is 1.76 in the case of M=1, N=1 and Re=4000.

    Keywords: Incomplete conical agitators, zirconium oxide nanoparticles, two-phase model, heattransfer, thermal performance coefficient
  • Ali Dezhdar, Ehsanollah Asareh*, Ali Ershadi, Ahmad Arab Kuhsar Pages 97-125

    In the current research, a renewable system based on wind, solar, and geothermal energy was analyzed with a targeted combination of fuel cell units, heat pump, proton exchange membrane electrolyzer, steam turbine and reverse osmosis. Transient modeling and simulation of the proposed system was done using TRNSYS software. This system was designed and evaluated to meet the needs of a residential complex with 80 residential units and 320 people for electrical energy, cooling, and heating. A case study was conducted for the feasibility of setting up the proposed system in the coastal city of Bandar Anzali in Iran. Optimization of system performance was done by determining two objective functions of production power and system life cycle cost with response surface method and Design Expert software. Five parameters affecting the system performance including the number of wind turbines, number of solar panels, fuel cell capacity, steam turbine capacity, and proton exchange membrane electrolyzer capacity were selected as optimization variables. In its most optimal state, the system can reach a production power of 3036105.022 kWh and a life cycle cost of 781944.254 $. The environmental results showed that by setting up the system in an optimal mode in Bandar Anzali city and producing electricity at the rate of 3036.1 MW per year, it is possible to help expand 3 hectares of green space per year. It also helped reduce carbon dioxide emissions by 619.36 tons of CO2 at a cost of 14,864.74 $.

    Keywords: Wind farm, Solar farm, Geothermal, Fuel cell, Heat pump, Multi objective optimization, TRNSYS