بررسی عملکرد گرمایی یک میکرو‌محفظه احتراق حلزونی جهت کاربردهای میکروترموفتوولتاییک

ددر مطالعه حاضر، احتراق مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن- هوا در یک میکرومحفظه حلزونی دو مسیره با هدف استفاده به‌عنوان منبع گرما در سیستم‌های میکروترموفتوولتاییک بررسی‌شده است. معادلات حاکم با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی به‌صورت سه‌بعدی و پایا با در نظر گرفتن سینتیک شیمیایی جزئی و انتقال گرما در دیوار حل شد. پارامتر‌های بررسی شده در این پژوهش شامل سرعت ورودی جریان، نسبت هم‌ارزی و رسانش گرمایی دیوار هستند. عملکرد گرمایی محفظه احتراق با محاسبه دمای جریان‌های مسیرهای رفت و برگشت، پارامتر‌های مرتبط با توزیع دمای دیوار و بازده ارزیابی شده است. نتایج نشان دادند که با افزایش سرعت ورودی، تبادل گرما میان مسیرهای رفت و برگشت از حالت بهینه خود فاصله می‌گیرد و روی توزیع دمای دیوار تاثیر می‌گذارد. اگرچه میانگین دمای سطح خارجی دیوار با سرعت ورودی افزایش می‌یابد ولی توزیع دما غیریکنواخت‌تر می‌شود. این افزایش در شاخص یکنواختی دمای دیوار موجب کاهش بازده با افزایش سرعت ورودی می‌شود. در مورد تاثیر نسبت هم‌ارزی مشخص شد که با افزایش آن، تبادل گرما بین جریان مسیرهای رفت و برگشت بهینه‌تر و بازده سیستم افزایش می‌یابد. تاثیر افزایش ضریب رسانش گرمایی دیوار تا مقدار  12وات بر مترکلوین بررسی و نتیجه شد که تاثیر مطلوبی روی همه پارامترهای مرتبط با عملکرد گرمایی محفظه احتراق و بازده دارد. بیشترین بازده سیستم مقدار 18/10 درصد محاسبه شد که با مقایسه آن با بازده سایر هندسه‌های محفظه احتراق مشخص شد که میکرومحفظه‌های حلزونی از نظر بازده توانایی رقابت با سایر میکرومحفظه‌های احتراق را به‌منظور استفاده در سیستم‌های میکروترموفتوولتاییک دارا هستند.

thermal performance analysis of a swiss-roll micro combustion chamber for micro thermophotovoltaic applications

in the present study, the combustion of hydrogen-air premixed mixture in a circular cross-section swiss-roll micro combustion chamber, designed as a heat source for micro thermophotovoltaic systems, has been investigated. the governing equations were solved using a three-dimensional steady state cfd method, considering detailed chemical kinetics and conjugate heat transfer. the parameters examined in this study include the average inlet velocity, equivalence ratio, and wall thermal conductivity. the thermal performance of the combustion chamber was evaluated by calculating the temperature of the inlet and outlet paths, wall temperature uniformity index, and efficiency. results indicated that increasing the average inlet velocity leads to a deviation from the optimal heat exchange between the inlet and outlet paths and affects the wall temperature distribution. although the average temperature of the outer wall increases with inlet velocity, the temperature distribution becomes more non-uniform. this increase in the non-uniformity reduces efficiency with higher inlet velocities. the study on the effect of the equivalence ratio showed that increasing it optimizes heat exchange between the inlet and outlet paths and enhances system efficiency. the impact of increasing the wall thermal conductivity up to 12w/m.k was analyzed, showing a positive influence on all parameters related to the thermal performance of the combustion chamber and efficiency. the maximum total efficiency was calculated to be 10.18%, demonstrating that swiss-roll micro combustion chambers can compete with other micro combustor geometries for use in micro thermophotovoltaic systems.