متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی مکانیک

گرایش : ساخت و تولید

عنوان : طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک

دانشگاه مازندران

جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک- ساخت وتولید

عنوان:

طراحی بهینه هندسه میدان جریان در پیل سوختی پلیمری با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

استاد مشاور:

دکتر کورش صدیقی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

پیل هاى سوختی، دستگاه هاى الکتروشیمیایی هستند که براى تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی به کار می روند. یکی از مهمترین نوع پیلهای سوختی، پیل سوختی پلیمری است که کاربرد فراوانی دارد. در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد : بهینه سازی در طراحی و ساخت

بهینه سازی پارامترهای فرآیندی

دسته اول که به بهینه سازی در ساخت اشاره دارد، به مواردی همچون نوع کانال جریان، هندسه کانال، جنس اعضای تشکیل دهنده پیل و همچنین یک پیکربندی مناسب و … برمی­گردد. این پارامترها گرچه پارامترهای بسیار مهم و موثری هستند ولی به هیچ وجه در طی فرآیند قابل تغییر نیستند و در کل فرآیند ثابت اند. دسته دوم که مربوط به پارامترهای عملکردی یا پارامترهای فرآیندی است شامل پارامترهای نظیر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد، دمای کارکردی پیل سوختی، نرخ جریان ورودی در سمت آند و کاتد و …… هستند که قابلیت انعطاف داشته و در طول فرآیند می­توانند تغییر کنند. تحقیق حاضر بعلت مشکلات موجود در بهینه سازی پارامترهای هندسی، به بهینه سازی سه پارامتر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد و دمای کارکردی پیل سوختی پرداخته که در میان پارامترهای فرآیندی از اهمیت وافری برخوردار است.

در این تحقیق الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از قویترین ابزارهای بهینه سازی به کار گرفته شده است و از نرم افزار پیل سوختی نوشته شده در گروه پژوهشی دانشگاه که بر اساس حل تحلیلی پیل سوختی عمل می کند، جهت ایجاد منحنی پلاریزاسیون و سپس منحنی توان استفاده شده است. ماکزیموم مقدار منحنی توان میزان بهینگی پارامترها (تابع برازندگی) در نظر گرفته شده است.

در الگوریتمهای ژنتیک معمولا از روش کدگذاری در مبنای دو برای مقادیر پارامترها استفاده می شود ولی برای راحتی کار و ایجاد سرعت بیشتر، در الگوریتم به کار گرفته شده از روش کدگذاری اعداد حقیقی بهره گرفته شده است همچنین برای عدم از بین رفتن جوابهای برازنده در نسلهای میانی از الگوریتم نخبه گرا استفاده شده است. در جدول زیر مقادیر به دست آمده برای سه پارامتر فوق و همچنین مقادیر بهینه گزارش شده از مقاله سلیمان و همکارش ]1[ آورده شده است.

در این تحقیق نمودارهای ماکزیمم توان بر حسب فشارهای جزیی آند و کاتد نشان داد تغییرات فشار سمت آند نسبت به تغییر مشابه فشار در سمت کاتد، در راندمان خروجی بسیار موثرتر است و حساسیت فشار آند نسبت به فشار کاتد بسیار بیشتر است که دلیل آن اهمیت انجام واکنشها و سوخت مصرفی در سمت آند است.

مقدار به دست آمده برای دمای کارکردی پیل نشان می دهد افزایش دما تا حدی بر راندمان پیل اثر مثبت گذاشته ولی اگر دما از مقدار خاصی تجاوز کند راندمان پیل کاهش چشمگیری خواهد داشت که این اتفاق را می توان به دلیل خشک شدن بیش از اندازه غشا توجیه نمود.

فصل اول: مقدمه

1-1- پیشگفتار

دو مشكل اساسی در استفاده از سوخت‌های فسیلی كه بیش از %80 تقاضای انرژی مورد مصرف را تشكیل می‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدودیت آنهاست به‌طوری‌كه در آینده‌ای نزدیك این سوخت‌ها به پایان می‌رسند. براساس تخمینی كه كمپانی‌های نفتی ارائه كرده‌اند، بین سالهای 2015 تا 2030 میزان مصرف نفت خام، گاز‌طبیعی و سوخت‌های فسیلی به بیشترین مقدار خود می‌رسند و از آن پس منابع فسیلی با كاهش چشمگیری روبرو خواهند بود.

مشكل دوم در استفاده از سوخت‌های فسیلی، مشكل زیست محیطی آنان است مانند تغییرات آب‌و‌هوایی، گرم‌شدن كلی محیط، ذوب شدن یخ‌های موجود در كره زمین، ایجاد باران‌های اسیدی، نقصان لایه ازن، خرابی مناطق كشاورزی و جنگلها بعلت استخراج بیش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلایندگی و آلودگی محیط زیست كه شرایط زندگی را نابسامان خواهد كرد. پیش از سال 1970، سیستم‌های انرژی هیدروژنی برای رفع این دو مشكل اساسی پیشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسیاری در جهت بكار‌گیری این سیستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.

هیدروژن یك انرژی قابل حمل با خصوصیات منحصر به فرد است. سوختی پاك با راندمان خروجی بالا، سبك و در دسترس است. یكی از خصوصیات ویژه آن، نوع كاربرد آن در فرآیند‌های الكترو‌شیمی است كه می‌تواند در صورت كاربرد در پیل‌های سوختی، انرژی الكتریكی تولید كند كه در مقایسه با انرژی سوخت‌های فسیلی راندمان بسیار بالاتر و مزایای ویژه‌ای دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگیری این سیستم‌ها قوت چندانی گرفته است.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پیل سـوختی تبدیل كننده انرژی الكترو‌شـیمی است كه انرژی شیـمیایی را به انرژی الكتریسـیته

(جریان مستقیم برق) تبدیل می‌كند. در حالت كلی یك فرآیند تولید الكتریسیته از سوخت، شامل چندین گام تبدیل انرژی است كه این گام‌ها عبارتند از:

(1) سوزاندن سوخت مورد نظر و تبدیل آن به حرارت

(2) ایجاد آب جوش و بخار آب از حرارت به وجود آمده

(3) بكار گیری بخار آب ایجادی در توربین جهت تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مكانیكی

(4) بكار گیری انرژی مكانیكی در ژنراتور و تولید جریان الكتریسیته

یك پیل سوختی تمام مراحل فوق را جهت تولید جریان الكتریسیته در یك گام خلاصه می‌كند علاوه بر اینكه هیچ نیازی به قسمت‌های متحرك ندارد. (شكل 1-1) چگونگی ایجاد جریان الكتریسیته توسط پیل سوختی را در یك گام نشان می‌دهد.

یك پیل سوختی از برخی جنبه‌ها شبیه به یك باتری است چون شامل الكترولیت و قطب‌های مثبت و منفی است و از واكنشهای الكتروشیمی، جریان الكتریسیته DC تولید می‌كند ولی برخلاف یك باتری نیازمند سوخت و اكسیژن مداوم است، همچنین الكترودهای پیل سوختی برخلاف یك باتری دستخوش تغییرات شیمیایی قرار نمی‌گیرند.

باتری‌ها به واسطه واكنشهای شیمیایی و با بهره گرفتن از موادی كه از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جریان الكتریسیته تولید می‌كنند و به همین دلیل یك باتری در صورت مصرف مواد داخل آن تخلیه می شود كه در این صورت نیازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اینكه قابلیت شارژ مجدد را داشته باشد ولی یك پیل سوختی مادامی كه اكسیژن و سوخت به آن تزریق شود، امكان تخلیه ندارد و می‌تواند در دراز مدت كار كند. اكسیژن و هیدروژن كه از مواد مورد نیاز پیل سوختی است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت تركیبی یافت می‌شود، مثلاٌ  هیدروژن ممكن است در تركیب با گازهایی همچون ، ، Co و … موجود باشد و یا در هیدروكربنات‌هایی مثل گاز طبیعی یا حتی هیدروكربنات مایع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنین هوای محیط هم به اندازه كافی حاوی اكسیژن مورد نیاز پیل سوختی می‌باشد. از سوی مقابل باتری هم مزیت‌هایی نسبت به پیل سوختی دارد كه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:

– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتری ]حرارت ایجادی در باتری بسیار كمتر از پیل سوختی است[

– عدم نیاز به مدیریت سیستم در باتری

– عدم نیاز به تجهیزات زیاد و هزینه‌های جانبی سنگین

3-1- بهینه سازی پارامترهای پیل سوختی پلیمری

در حالت کلی دو نوع بهینه سازی در پیل سوختی پلیمری میتوان انجام داد  :

بهینه سازی پارامترهای فرآیندی یا پارامتر های عملکردی

بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل

1-3-1- بهینه سازی پارامترهای فرآیندی

بهینه سازی در پارامترهای متغیر شامل پارامترهایی از قبیل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبیت ، غلظت یا مولاریته سوخت ، سینتیک واکنش و ….. که از میان این پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غیر قابل کنترل اند و یا به عبارت صحیح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزینه زیادی در بر داشته طوری که از کنترل آنان صرف نظر شده و به مهار کردن پارامترهای در دســترس­تر پرداخته شده است. در مقالات معمولا به بررسی چهار پارامتر از تمامی پارامترهای ممکن پرداخته شــده است که این چهار پارامتر عبارتند از :

دمای کارکرد پیل سوختی که معمولا بین 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغیراست

درصد رطوبت پیل سوختی

میزان مصرف اکسیژن در کاتد به مصرف هیدروژن در آند

فشار سیستم در سمت آند

فشار سیستم در سمت کاتد

2-3-1- بهینه سازی در طراحی و ساخت پیل

پیل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هایی در جهت افزایش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :

– نوع کانال جریان آند (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ)

– لایه پخش گازی آند (جنس ، میزان فشردگی)

– مواد و ضخامت لایه کاتالیست آند و کاتد

– لایه پخش گازی کاتد (جنس ، میزان فشردگی)

– سایز ابعادی کانالها در هر دو قسمت آند و کاتد (طول ، عرض و عمق کانال)

– فاصله بین دو کانال در صفحات الکترود (یا بررسی شعاع گذر)

– مواد و ضخامت غشای تبادل یونی

– نوع کانال جریان کاتد (مارپیچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپیچ(

– و….

استفاده از مواد جایگزین و کار آمدتر موضوعی است که بسیاری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و یک پیکر بندی صحیح برای پیل از جمله مـواردی است که در این قسمت قابل بررسی است.

پژوهشهای بســیاری در زمـینه یافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبیه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روش های مختلفی همچون تحلیلی ، تجربی ، شبیه سازی که در قالب دینامیک سیالات مورد مطالـعه قرار میگرد و ترکیب تحلیلی و تجربی به تحقیق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پیشنهاد می کنند که بیــشترین راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.

4-1- پژوهشهای انجام شده در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیندی پیل سوختی پلیمری

سلیمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچی که در سال 1980 توسط خود تاگوچی معرفی شد ، برای بهینه سازی پارامترهای فرآیندی استفاده کردند . استفاده از این روش تعداد آزمایشـات مورد نیاز را به طرز چشـم گیری کاهش داده و این سبب کاهش هزینه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمایش می گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـیر قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهای نویز گفته میشود . آن دسته از پارامترهایی که کنترل آنان بسیار سخت و هزینه بر است نیز جزو پارامترهای غیر قابل کنترل یا نویز به حساب می آید. سلیمان و همکارش ]1[ در این آزمایشات پارامـترهای دمای کارکرد پیـل ، دمای رطوبت ، فشار کارکرد پیـل سوختی و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهای قابل کنترل در نظر گرفت و مقادیری را بعنوان مقادیر بهینه ارائه نمود و ادعا کرد که پیل سوختی در صورت عملکرد این مقادیر بیشترین راندمان خروجی را دارند.

بتی[2] و همكارانش ]3[ وابستگی فشار و دما را در سطح مشترك كاتالیست و غشا مورد بررسی قرار دادند. كاپادونیا[3] و همكارانش ]4[ وابستگی غشای نفیون 117 را بعنوان تابعی از دما و مرطوبیت بررسی كردند. سرید‌هار[4] و همكارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگی عملكرد پیل سوختی پلیمری را تحقیق كردند و برای تحقیقات خود از یك سری آزمایشات مربوطه بهره گرفتند.

ونگ[5] و همكارانش ]6[ اثرات پارامترهای عملكردی همچون دما و … را بر راندمان پیل‌های سوختی تحقیق كردند و بصورت عملی و آزمایشگاهی تأثیر این پارامترها را در حالت‌های مختلف نشان دادند. ونگ از هیدروژن خالص برای سوخت در طرف آند و از هوای معمولی در طرف كاتد استفاده كرد.

هیون[6] و همكارانش ]7[ با توجه به آزمایشات عملی به تحقیق در مورد اثرات مرطوبیت بیرونی بر عملكرد پیل سوختی پرداختند.

هوانگ[7] و همكارانش ]8[ به بررسی میزان تغییرات راندمان خروجی در ازای تغییرات پارامترهای عملكردی پرداختند و نتیجه آزمایشات خویش را ارائه كردند.

فرنگ[8] و همكارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمایشات عملی یك مدل تحلیلی ارائه كردند و با توجه به مدل تحلیل و آزمایشات عملی به بررسی میزان اثرات پارامترهای عملكردی و همچنین مشخصات جریان در كانال جریان گازی و لایه پخش‌كننده گاز پرداختند.

سانتارلی[9] و همكارانش ]10[ بر روی میزان مرطوبیت پیل سوختی در حالت اشباع و بدون مرطوبیت و همچنین میزان فشارهای واكنشگرها بصورت آزمایشگاهی تحقیق كرده و در نهایت نتایج خود را بعنوان مقادیر مناسب برای پارامترهای پیل سوختی درنظر گرفته و نتایج خویش را ارائه نمودند.

تیسیالنی[10] و همكارانش ]11[ یك سری آزمایشات در جهت افزایش راندمان پیل سوختی انجام دادند و در مقادیری خاص تاثیر این پارامترها را بر عملکرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.

وهدامه[11] و همكارانش ]12[ با بهره گرفتن از یك سری آزمایشات تجربی به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جریان گازی در یك پیل سوختی w500 پرداختند.

لی[12] و همكارانش ]13[ با ارائه یك مدل همدما و پایدار از پیل سوختی پلیمری به بررسی واكنش‌های پیل و شرایط بهینه عملكردی پارامترها پرداختند.

جردان[13] و همكارانش ]14[ اثر پارامترهای لایه پخش گازی را بر عملكرد پیل سوختی مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالی[14] و همكارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشایی از جنس نفیون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندین تحقیق ]18-16[ با بهره گرفتن از مدل‌های شبیه‌سازی شده از پیل سوختی پلیمری، به بررسی عملكرد سمت كاتد و عملكرد كاتالیست بعنوان تسریع بخش واكنش‌ها و همچنین مدیریت آب و حرارت در پیل سوختی پرداختند.

[1]– Soleyman

[2]– Beattie

[3]– Cappadonia

[4]– Sridhar

[5]– Wang

[6]– Hyun

[7]– Hwang

[8]– Ferng

[9]– Santarelli

[10]– Ticianelli

[11]– Wahdame

[12]– Li

[13]– Jordan

[14]– Motupally

تعداد صفحه : 131

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.