مطالعه و طراحی سیستم های سرمایشی فناوری سبز با مصرف انرژی ذخیره شده
محور پژوهش
انرژی‌های نو
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی مکانیک
حوزه پژوهش
تولید انرژی از پسماندهای زیستی
عنوان
مطالعه و طراحی سیستم های سرمایشی فناوری سبز با مصرف انرژی ذخیره شده- صندوق پژوهشگران شماره طرح ۹۷۰۰۵۹۵۰ هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه: هدف اصلی این طرح مطالعه و توسعه مبانی علمی و فناورانه ای است که در آن بتوان با کمک یک سیستم ذخیره انرژی الکتریکی با ایجاد میدان الکتریکی توسط این سیستم یک سیستم سرد کننده (Refrigerator) سبز (دوستدار محیط زیست) با تبدیل نوع انرژی توسط مفهوم مواد الکتروکالریک، تعبیه کرد. تحقق این امر مطابق با فرضیه تحقیق توسط انرژی ذخیره شده در ماده ایجاد شده و پس از اعمال آن به ماده نرم (در این تحقیق soft matter) بدون انجام واکنش های شیمیایی غیرقابل بازگشت (Irreversible) سرمایش و یا نوعی از تبدیل فرم های انرژی صورت پذیرد. مسئله این طرح پاسخ به یکی از کنجکاوی های بشر برای تولید سیستم های سرمایشی بدون مصرف یا اعمال انرژی خارجی ظاهری در راستای انرژی های تمیز (الزاماً در اینجا منظور انرژی تجدیدپذیر نیست) بوده بطوریکه تبدیل انرژی بدون ایجاد آلایندگی صورت پذیرد. ایجاد سرمایش بدون مصرف انرژی غیر ممکن است. مطابق با قانون دوم ترمودینامیک انتقال حرارت از محیط سرد به گرم بدون اعمال انرژی خارجی امکان پذیر نیست. مسئله این تحقیق چگونگی انجام انتقال حرارت و یا مشخصاً ایجاد سرمایش با حفظ قوانین ترمودینامیک بوده اما به گونه ای که در ظاهر سیستم انرژی مصرف نشده و این انتقال حرارت بدون ایجاد آلودگی زیست محیطی باشد و به اصطلاح در راستای تکنولوژی های انرژی سبز و توسعه آن قدم بردارد. در این طرح، ایده بر این اساس استوار است که یک منبع انرژی ذخیره شده انرژی را اعمال کرده و تبدیل آن در یک برهم کنش مولکولی در یک ماده دیگر انتقال حرارت را انجام دهد. در این طرح، انتقال حرارت از منبع سرد به گرم، بدون ورود انرژی ظاهری و ورود به مرز آن توسط انرژی ذخیره شده در ماده ایجاد شده و پس از اعمال آن به ماده نرم (در این تحقیق soft matter) بدون انجام واکنش های شیمیایی غیرقابل بازگشت (Irreversible) سرمایش و یا نوعی از تبدیل فرم های انرژی صورت پذیرد. چرخه های بازگشت پذیر تحت میدان های الکتریکی در مواد فروالکتریک تحت پدیده های الکتروکالریک صورت خواهد گرفت. در این طرح استفاده از این مواد در راستای توسعه و طراحی سیستم های مبرد دوستدار محیط زیست به عنوان جایگزینی برای تکنولوژی فعلی مبرد ها که بر اساس بخار و فشار است می باشد. در این طرح، سعی بر اعمال دو خاصیت همزمان است تا بتوان تبرید و انتقال حرارت را ایجاد کرد: الف) استفاده از انرژی های پنهان و دوست دار محیط زیست بطوریکه این انرژی تقریباً دائمی باشد و در ماده ای ذخیره شده باشد، و ب) استفاده از رویدادها در مقیاس ملکولی با استفاده از اثرات بند الف در انتقال حرارت با کمک اثرهای الکتروکالریک مواد. چیزی که ظاهر امر نشان می دهد، یک نوع ماشین سرمایش بدون اعمال کارخارجی است. همین که صحبت از کاهش مصرف انرژی می شود، با توجه به معتبر بودن قانون دوم ترمودینامیک و بی تردید در حوزه مقیاس ماکرو، مباحثی چون راه کارها برای توسعه انرژی تمیز، کاهش آلودگی، سیستم های مبرد قابل حمل و بسیار سبک حتی با کوچکترین ابعاد قابل دستیابی با شرایط و امکانات فعلی انسان ها می تواند از جمله ضروریات و چالش های همیشگی و حتی آینده قابل پیش بینی باشد. حذف فعل و انفعالات و اجزاء مکانیکی نیز از دیگر مسائل مورد نظر است. این اجزاء راندمان سیستم های تبریدی را کاهش می دهند. کاربرد ویژه نتایج این طرح، هنگامی است که دسترسی به منبع انرژی مقدور نباشد چرا که سیستم خود مهیا کننده این انرژی بوده بنابراین می توان تصور کرد که این سیستم یک نوع از سیستم هایی است که قدرت ذخیره سازی انرژی را داشته که می تواند در سرمایش استفاده گردد. ضرورت طرح: بحث مصرف انرژی از مهمترین موضوعات اخیر در سطح جهان بوده و تلاش های مستمری جهت کنترل و کاهش مصرف آن در حال انجام است. با این وجود بر اساس قوانین بقای انرژی و کار در رابطه با انرژی داخلی سیستم ها، و همچنین نیاز به اعمال انرژی برای تبرید و اعمال انتقال حرارت به منظور سرمایش بنابر قانون دوم ترمودینامیک، نمی توان انتظار داشت بدون مصرف انرژی خارجی و یا هدردهی انرژی بتوان یک سیکل سرمایشی طراحی کرد. بر اساس تحقیقات فعلی انجام گرفته حداقل در مقیاس ماکرو و حجمی، قوانین ترمودینامیک صادق بوده و تحقیقات ناچیز موجود در مقیاس نانو برای به چالش کشیدن قوانین ترمودینامیک در راستای انتقال حرارت بدون اعمال کار به سیستم مجادله انگیز بوده و بسیاری از صاحب نظران نیز اینچنین برداشت هایی را به طور حتم پشتیبانی نمی کنند. در ذیل، موارد مورد نظر در خصوص ضروریت انجام طرح ارائه گردیده است. الف) نیاز به استفاده از فناوری های نوین در بهبود کارآیی سیستم های مبرد یا خنک سازها یا معرفی نسل جدیدی از آنها: یکی از مهمترین موضوعات قابل تامل و تحقیق که به طور نسبی در کشور بر روی آن کمتر مطالعاتی صورت گرفته است چگونگی ذخیره سازی انرژی و استفاده از آن در انتقال حرارت (ایجاد سرمایش) با استفاده از تکنولوژی های نوین مانند فناوری نانو و دانش پلیمرها می باشد. امروزه می توان با بهره گیری از این علوم سعی در بهبود راندمان مبدل ها و حذف اجزاء مکانیکی مبدل ها و آلایندگی ناگزیر آنها داشت. اگرچه به طور ذاتی، استفاده از این علوم به ویژه در مقیاس ماکرو عملکرد سیستمی را در مقابل مکانیک کلاسیک قرار نمی دهد، اما دانش نانوفناوری و پلیمر بهمراه یکدیگر می تواند در نیل به اهداف فوق الذکر ما را یاری نماید. ب) نیاز به سیستم های ذخیره ساز انرژی: به دلیل کوچک تر شدن بسیاری از تجهیزات و نیاز به قابل حمل بودن آنها از یک طرف و از طرف دیگر اهمیت سیستم ها با منبع انرژی همراه یا بدلیل نیاز به کوچک تر کردن کل مجموعه یا عدم دسترسی انسان (مانند کاربردهای هوافضا و سفینه ها)، اهمیت نیاز به ذخیره سازی انرژی بیش از پیش در تکنولوژی فعلی احساس می شود. ج) حذف سیستم های تولید انرژی که مولد آلاینده ها هستند: در راستای سیاست های انرژی سبز و در اینجا تبدیل انرژی دوستدار محیط زیست، یکی از اهداف فعلی بسیاری از کشورها کاهش آلایندگی این سیستم ها در جهت توسعه پایدار وضعیت محیط زیست خود بوده اند. از طرف دیگر، در بسیاری از کاربردها تبدیل این انرژی به نوع انرژی مورد نیاز خود مصرف کننده مواد شیمیایی مضر برای محیط زیست بوده و یا در همان مرحله تبدیل همراه با ایجاد آلودگی های صوتی و یا تنفسی می کنند. مبردهای فعلی از انرژی گرمایی و بعد تبدیل آن به مکانیکی برای تولید برودت استفاده می كنند که خود منشاء ایجاد آلودگی هوا و یا مصرف سوخت های فسیلی است. مصرف برق برخی چیلر ها مثل چیلر تراكمی – تبخیری با ظرفیت 200 تن تبرید حدوداً برابر 170 كیلو وات می باشد و مصرف برق چیلر جذبی با همین ظرفیت برابر 3 كیلو وات میباشد. همچنین می توان به این مطلب اشاره کرد که بسیاری از مبردها هر چند وقت احتیاج به تعمیرات مکانیکی داشته و هزینه تعمیر و نگداری آنها می تواند راندمان هزینه ای آنها را کاهش دهد. آلودگی صوتی حاصل از عملکرد قطعات مکانیکی و کمپرسورها در کنار آلودگی محیط زیستی چیلرهای تراكمی – تبخیری كه با گازهای CFC و HCFCکار می کنند از دیگر محدودیت های مبردهای فعلی است که نمی توان به سادگی از وجود این مشکلات صرف نظر کرد. د) نیاز به سیستم های تبدیل انرژی با حذف مکانیزم های مکانیکی: به طور کل، سیستم های تبدیل انرژی که بهمراه اجزاء مکانیکی می باشند به دلیل وجود سطوح تماسی و اصطکاکی دارای راندمان پائین تر نسبت تبدیل صورت هایی از انرژی هستند که مکانیزم های مکانیکی در آنها دیده نمی شود. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها این طرح در ابتدا به تولید دانش فنی مورد نیاز با کمک فناوری نانو و پلیمر به منظور طراحی و ساخت یک سیستم ذخیره انرژی و کاربرد آن در کاهش دمای اجسام (مبرد) می پردازد. بنابراین نتایج ثانویه این طرح ساخت نمونه اولیه محصول نیز می باشد. دانش فنی ارائه شده به طور کل شامل طراحی و انتخاب موارد، روش فرآوری نانوکامپوزیت آن، تبیین مکانیزم ذخیره سازی انرژی و مکانیزم انتقال حرارت در یک جسم خارجی، پیش بینی رفتار و خواص مکانیکی، فیزیکی و حرارتی محصول است. فاز اول: مطالعات علمی و تحقیقات پیشین در این فاز به مطالعه و تثبیت اصول و ایده‌های اولیه طرح پرداخته می شود که به دنبال آن آخرین تحقیقات صورت گرفته در این زمینه بر اساس انتشارات موجود داخلی و خارجی صورت می گیرد. در این مرحله با توجه به فرضیه های تحقیق و مطالعات صورت ایده های جدید و نوآوری های مورد انتظار بیان می گردد. این مرحله پیش نیاز فاز دوم تحقیق می باشد. فاز دوم: مطالعات علمی، تحلیلی، تجربی در این مرحله با توجه به مسیر تبیین شده در فاز دوم مطالعات علمی، تحلیلی و تجربی مورد نظر صورت خواهد گرفت. فاز سوم: آزمایشات عملکردی در این فاز پس از اتمام آخرین مرحله فاز سوم که انجام آزمایشات به منظور بررسی خواص نمونه های ساخته شده است به عملکرد سیستم طراحی شده در آزمایشگاه پرداخته و فناوری کسب شده را برای یک محصول آماده به کار مورد بررسی قرار می دهد. این قسمت زمینه استفاده و کاربرد طرح و صحت سنجی کارآیی خروجی آن را مورد مطالعه قرار می دهد. فعالیت های مورد انتظار: این مطالعات در راستای تحقیق در مورد صحت فرضیه های مذکور صورت گرفته و اجزاء اصلی این طرح می باشد. بطور کلی در حوزه نانوفناوری و پلیمر آزمایشات فراوانی را می توان برای فهم بهتر رویدادها و خواص نهایی ارائه شده توسط محصول در نظر گرفت. برخی از آزمایشات در مقیاس نانو و برخی دیگر خواص بالک (خواص ماکرو) نمونه تهیه شده را ارزیابی می نمایند. در این طرح طبیعتاً به دلیل اینکه مبنای تحقیق خواص فیزیکی و انتقال حرارت نمونه ها است، آزمایشات عمده ای پیرامون خواص حرارتی و یا حرارتی-مکانیکی و الکتریکی نمونه های تهیه شده انجام خواهد گرفت. آزمایشات مورد نظر به منظور فهم روابط ساختاری-فرآوری و خواص نهایی و همچنین بهینه سازی فراوری و مواد مورد استفاده می باشد. تهیه و طراحی مواد ذخیره ساز انرژی: فرمولاسیون، دانش فنی تهیه و طراحی مواد تبدیل کننده انرژی (فروالکتریک): فرمولاسیون، دانش فنی انتخاب مواد (نانومواد-پلیمر-حلال ها و ...) به منظور طراحی و ساخت نمونه اولیه فرآوری مواد ذخیره ساز انرژی، مواد تبدیل انرژی و ساخت سیستم یکپارچه ذخیره ساز انرژی و انتقال حرارت مطالعه، گردآوری و بررسی تجربی و مشخصه یابی اثر پارامترهای مستقل در خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نمونه ها تجزیه و تحلیل داده ها: روایی (Validity) و پایایی نتایج (Reliability) بهینه سازی مواد و شرایط فرآوری (پنجره فرآیند) تهیه نمونه ها تدوین دستورالعمل و متدولوژی انجام تحقیق به منظور پیاده سازی آزمایشگاهی طرح و تهیه نمونه های اولیه پیشنهادات به منظور توسعه و استفاده از نتایج طرح و کاربرد های تحقیقی، فنی و علمی طرح بطور کلی در حوزه نانوفناوری و پلیمر آزمایشات فراوانی را می توان برای فهم بهتر رویدادها و خواص نهایی ارائه شده توسط محصول در نظر گرفت. برخی از آزمایشات در مقیاس نانو و برخی دیگر خواص بالک (خواص ماکرو) نمونه تهیه شده را ارزیابی می نمایند. در این طرح طبیعتاً به دلیل اینکه مبنای تحقیقات خواص پلیمر و خواص الکتریکی آنها می باشد که عمدتاً در رابطه با فرآیند پذیری، خواص چندمنظوره و کاربرد تعریف شده است، آزمایشات عمده ای پیرامون خواص الکتریکی، حرارتی و یا حرارتی-مکانیکی نمونه های تهیه شده انجام خواهد گرفت. آزمایشات مورد نظر به منظور فهم روابط ساختاری-فرآوری و خواص نهایی و همچنین بهینه سازی فراوری و مواد مورد استفاده می باشد. در کنار این آزمایشات، بررسی های کاربرد محور نیز لازم است صورت پذیرد که عموماً نمونه های بالک تهیه شده در شرایط کاری و عملکردی مطابق با فاز چهارم این طرح مورد آزمایش قرار می گیرند این طرح در حال حاضر در حال اجرا می باشد و تاکنون گزارش های اول و دوم طرح به صندوق پژوهشگران ارسال شده است. محل انجام طرح در آزمایشگاه پلیمر و نانوکامپوزیت مستقر در دانشکده مهندسی مکانیک و تجهیزات موجود به منظور ساخت نمونه های اولیه است.