مطالعه عددی تاثیر ویژگی‌های هندسی و افزودن نانوذرات بر عملکرد انتقال حرارت مواد تغییر فازدهنده

در این پژوهش، تاثیر چندین عامل کلیدی بر بهبود عملکرد سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی مبتنی بر مواد تغییر فازدهنده (pcm) به‌صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهای تحلیل‌شده شامل گام پره‌ها، افزودن نانوذرات اکسید آلومینیوم به pcm، جنس پره‌ها (آلومینیوم، مس و تیتانیوم) و شکل هندسی محفظه (مستطیلی، مربعی، مثلثی و متوازی‌الاضلاع) بودند. نتایج نشان داد کاهش گام پره‌ها، ضمن افزایش نرخ انتقال حرارت در مراحل اولیه ذوب، در گام‌های بسیار کوچک (5 میلی‌متر) به دلیل محدودیت فضای جریان همرفت طبیعی، منجر به کاهش سرعت ذوب در مراحل بعدی می‌شود. بهترین عملکرد در گام‌های 7.5 و 10 میلی‌متر با جنس آلومینیوم مشاهده شد که تعادل مناسبی میان هدایت حرارتی و جریان همرفت برقرار می‌کند. همچنین افزودن نانوذرات اکسید آلومینیوم به pcm موجب افزایش هدایت حرارتی موثر و کاهش زمان ذوب تا حدود 5٪ گردید. تحلیل جنس پره‌ها نشان داد که پره‌های آلومینیومی و مسی به دلیل هدایت حرارتی بالاتر، زمان ذوب کمتری نسبت به تیتانیومی‌ها دارند و آلومینیوم به دلیل تعادل هزینه، وزن و هدایت حرارتی، گزینه‌ای مطلوب است. از سوی دیگر، شکل هندسی محفظه تاثیر چشمگیری بر فرآیند ذوب داشته و محفظه مستطیلی با بهبود 60٪ نسبت به مربع، 44٪ نسبت به مثلث و 34٪ نسبت به متوازی‌الاضلاع، بهترین عملکرد را نشان داد که ناشی از توزیع بهینه پره‌ها و فضای مناسب برای جریان‌های همرفت طبیعی است. یافته‌های این مطالعه می‌تواند به عنوان راهنمایی کاربردی در طراحی و بهینه‌سازی سامانه‌های ذخیره‌سازی حرارتی مبتنی بر مواد تغییر فازدهنده، به‌ویژه در کاربردهای مهندسی انرژی، مورد استفاده قرار گیرد.

effect of geometry features and nanoparticles on the melting behavior of phase change materials in a finned energy storage chamber

phase change material (pcm)-based thermal energy storage systems. the examined factors include fin spacing، incorporation of aluminum oxide (al₂o₃) nanoparticles into the pcm، fin material (aluminum، copper، titanium)، and enclosure geometry (rectangular، square، triangular، and parallelogram). reducing fin spacing improved heat transfer during early melting stages; however، excessively small spacing (e.g.، 5 mm) restricted natural convection، reducing the melting rate in later stages. optimal performance was achieved with aluminum fins at 7.5–10 mm spacing، balancing conduction and convection. adding al₂o₃ nanoparticles increased the pcm’s effective thermal conductivity and reduced total melting time by up to 5%. fin material analysis showed that aluminum and copper، due to higher thermal conductivities، outperformed titanium. aluminum fins offered the best compromise between performance، weight، and cost. enclosure geometry also played a significant role: the rectangular design yielded the shortest melting time، reducing it by 60% compared to the square، 44% compared to the triangular، and 34% compared to the parallelogram enclosures. this improvement is attributed to better fin distribution and more efficient natural convection flow within the rectangular chamber. overall، the results provide practical guidelines for optimizing pcm-based thermal storage systems، especially for engineering applications requiring efficient heat management.