متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی مکانیک

گرایش : ساخت و تولید

عنوان : طراحي بهينه هندسه ميدان جريان در پيل سوختی پليمری با استفاده از الگوريتم ژنتيک

دانشگاه مازندران

جهت اخذ درجه کارشناسي ارشد

مهندسي مکانيک- ساخت وتوليد

عنوان:

طراحي بهينه هندسه ميدان جريان در پيل سوختی پليمری با استفاده از الگوريتم ژنتيک

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

استاد مشاور:

دکتر کورش صديقی

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:

پيل هاى سوختي، دستگاه هاى الکتروشيميايي هستند که براى تبديل مستقيم سوخت به انرژی الکتريکی به کار می روند. يکی از مهمترين نوع پيلهای سوختی، پيل سوختی پليمری است که کاربرد فراواني دارد. در حالت کلی دو نوع بهينه سازی در پيل سوختی پليمری ميتوان انجام داد : بهينه سازی در طراحی و ساخت

بهينه سازی پارامترهای فرآيندی

دسته اول که به بهينه سازی در ساخت اشاره دارد، به مواردی همچون نوع کانال جريان، هندسه کانال، جنس اعضای تشکيل دهنده پيل و همچنين يک پيکربندی مناسب و … برمي­گردد. اين پارامترها گرچه پارامترهای بسيار مهم و موثری هستند ولی به هيچ وجه در طی فرآيند قابل تغيير نيستند و در کل فرآيند ثابت اند. دسته دوم که مربوط به پارامترهای عملکردی يا پارامترهای فرآيندی است شامل پارامترهای نظير فشار سمت آند، فشار سمت کاتد، دمای کارکردی پيل سوختی، نرخ جريان ورودی در سمت آند و کاتد و …… هستند که قابليت انعطاف داشته و در طول فرآيند مي­توانند تغيير کنند. تحقيق حاضر بعلت مشکلات موجود در بهينه سازی پارامترهای هندسی، به بهينه سازی سه پارامتر فشار سمت آند، فشار سمت کاتد و دمای کارکردی پيل سوختی پرداخته که در ميان پارامترهای فرآيندی از اهميت وافری برخوردار است.

در اين تحقيق الگوريتم ژنتيک به عنوان يکی از قويترين ابزارهای بهينه سازی به کار گرفته شده است و از نرم افزار پيل سوختی نوشته شده در گروه پژوهشی دانشگاه که بر اساس حل تحليلی پيل سوختی عمل می کند، جهت ايجاد منحنی پلاريزاسيون و سپس منحنی توان استفاده شده است. ماکزيموم مقدار منحنی توان ميزان بهينگی پارامترها (تابع برازندگی) در نظر گرفته شده است.

در الگوريتمهای ژنتيک معمولا از روش کدگذاری در مبنای دو برای مقادير پارامترها استفاده می شود ولی برای راحتی کار و ايجاد سرعت بيشتر، در الگوريتم به کار گرفته شده از روش کدگذاری اعداد حقيقی بهره گرفته شده است همچنين برای عدم از بين رفتن جوابهای برازنده در نسلهای ميانی از الگوريتم نخبه گرا استفاده شده است. در جدول زير مقادير به دست آمده برای سه پارامتر فوق و همچنين مقادير بهينه گزارش شده از مقاله سليمان و همکارش ]1[ آورده شده است.

در اين تحقيق نمودارهای ماکزيمم توان بر حسب فشارهای جزيي آند و کاتد نشان داد تغييرات فشار سمت آند نسبت به تغيير مشابه فشار در سمت کاتد، در راندمان خروجی بسيار موثرتر است و حساسيت فشار آند نسبت به فشار کاتد بسيار بيشتر است که دليل آن اهميت انجام واکنشها و سوخت مصرفی در سمت آند است.

مقدار به دست آمده برای دمای کارکردی پيل نشان می دهد افزايش دما تا حدی بر راندمان پيل اثر مثبت گذاشته ولي اگر دما از مقدار خاصی تجاوز کند راندمان پيل کاهش چشمگيری خواهد داشت که اين اتفاق را می توان به دليل خشک شدن بيش از اندازه غشا توجيه نمود.

فصل اول: مقدمه

1-1- پیشگفتار

دو مشكل اساسي در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي كه بيش از %80 تقاضاي انرژي مورد مصرف را تشكيل می‌دهند وجود دارد. مشكل اول در محدوديت آنهاست به‌طوري‌كه در آينده‌اي نزديك اين سوخت‌ها به پايان مي‌رسند. براساس تخميني كه كمپاني‌هاي نفتي ارائه كرده‌اند، بين سالهاي 2015 تا 2030 ميزان مصرف نفت خام، گاز‌طبيعي و سوخت‌هاي فسيلی به بيشترين مقدار خود مي‌رسند و از آن پس منابع فسيلی با كاهش چشمگيری روبرو خواهند بود.

مشكل دوم در استفاده از سوخت‌هاي فسيلي، مشكل زيست محيطي آنان است مانند تغييرات آب‌و‌هوايي، گرم‌شدن كلي محيط، ذوب شدن يخ‌هاي موجود در كره زمين، ايجاد باران‌هاي اسيدي، نقصان لايه ازن، خرابي مناطق كشاورزي و جنگلها بعلت استخراج بيش از اندازه زغال‌سنگ از معادن و از همه مهمتر مشكل آلايندگي و آلودگي محيط زيست كه شرايط زندگي را نابسامان خواهد كرد. پيش از سال 1970، سيستم‌هاي انرژي هيدروژني براي رفع اين دو مشكل اساسي پيشنهاد شده بود و از آن سالها دانشمندان بسياري در جهت بكار‌گيري اين سيستم‌ها و توسعه آنان تلاش كردند.

هيدروژن يك انرژي قابل حمل با خصوصيات منحصر به فرد است. سوختي پاك با راندمان خروجي بالا، سبك و در دسترس است. يكي از خصوصيات ويژه آن، نوع كاربرد آن در فرآيند‌هاي الكترو‌شيمي است كه مي‌تواند در صورت كاربرد در پيل‌هاي سوختي، انرژي الكتريكي توليد كند كه در مقايسه با انرژي سوخت‌هاي فسيلي راندمان بسيار بالاتر و مزاياي ويژه‌اي دارد. در 20 سال گذشته توسعه و بكارگيري اين سيستم‌ها قوت چنداني گرفته است.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پيل سـوختي تبديل كننده انرژي الكترو‌شـيمي است كه انرژي شيـميايي را به انرژي الكتريسـيته

(جريان مستقيم برق) تبديل مي‌كند. در حالت كلي يك فرآيند توليد الكتريسيته از سوخت، شامل چندين گام تبديل انرژي است كه اين گام‌ها عبارتند از:

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

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

(3) بكار گيري بخار آب ايجادي در توربين جهت تبديل انرژی گرمايي به انرژي مكانيكي

(4) بكار گيري انرژي مكانيكي در ژنراتور و توليد جريان الكتريسيته

يك پيل سوختي تمام مراحل فوق را جهت توليد جريان الكتريسيته در يك گام خلاصه مي‌كند علاوه بر اينكه هيچ نيازي به قسمت‌هاي متحرك ندارد. (شكل 1-1) چگونگي ايجاد جريان الكتريسيته توسط پيل سوختي را در يك گام نشان مي‌دهد.

يك پيل سوختي از برخي جنبه‌ها شبيه به يك باتري است چون شامل الكتروليت و قطب‌هاي مثبت و منفي است و از واكنشهاي الكتروشيمي، جريان الكتريسيته DC توليد مي‌كند ولي برخلاف يك باتري نيازمند سوخت و اكسيژن مداوم است، همچنين الكترودهاي پيل سوختي برخلاف يك باتري دستخوش تغييرات شيميايي قرار نمي‌گيرند.

باتري‌ها به واسطه واكنشهاي شيميايي و با استفاده از موادي كه از قبل درون آن‌ها قرار گرفته است، جريان الكتريسيته توليد مي‌كنند و به همين دليل يك باتري در صورت مصرف مواد داخل آن تخليه مي شود كه در اين صورت نيازمند شارژ مجدد است البته مشروط به اينكه قابليت شارژ مجدد را داشته باشد ولي يك پيل سوختي مادامي كه اكسيژن و سوخت به آن تزريق شود، امكان تخليه ندارد و مي‌تواند در دراز مدت كار كند. اكسيژن و هيدروژن كه از مواد مورد نياز پيل سوختي است به وفور در دسترس است و هم به صورت خاص و هم به صورت تركيبي يافت مي‌شود، مثلاٌ  هيدروژن ممكن است در تركيب با گازهايي همچون ، ، Co و … موجود باشد و يا در هيدروكربنات‌هايي مثل گاز طبيعي يا حتي هيدروكربنات مايع مثل متانول وجود داشته باشد، همچنين هواي محيط هم به اندازه كافي حاوي اكسيژن مورد نياز پيل سوختي مي‌باشد. از سوي مقابل باتري هم مزيت‌هايي نسبت به پيل سوختي دارد كه مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

– عدم اتلاف حرارت و آب توسط باتري ]حرارت ايجادي در باتري بسيار كمتر از پيل سوختي است[

– عدم نياز به مديريت سيستم در باتري

– عدم نياز به تجهيزات زياد و هزينه‌هاي جانبي سنگين

3-1- بهينه سازی پارامترهای پيل سوختی پليمری

در حالت کلی دو نوع بهينه سازی در پيل سوختی پليمری ميتوان انجام داد  :

بهينه سازی پارامترهای فرآيندی يا پارامتر های عملکردی

بهينه سازی در طراحی و ساخت پيل

1-3-1- بهينه سازی پارامترهای فرآيندی

بهينه سازی در پارامترهای متغير شامل پارامترهايی از قبيل دما ، فشار کارکرد ، نسبت مصرف سوخت در کاتد به آند ، دمای مرطوبيت ، غلظت يا مولاريته سوخت ، سينتيک واکنش و ….. که از ميان اين پارامتـرها تعدادی قابل کنترل و تعدادی غير قابل کنترل اند و يا به عبارت صحيح تر کنترل برخی از پارامــــــترها هزينه زيادی 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 اين چهار پارامتر عبارتند از :

دمای کارکرد پيل سوختی که معمولا بين 60 تا 80 درجه سانتی گراد متغيراست

درصد رطوبت پيل سوختی

ميزان مصرف اکسيژن در کاتد به مصرف هيدروژن در آند

فشار سيستم در سمت آند

فشار سيستم در سمت کاتد

2-3-1- بهينه سازی در طراحی و ساخت پيل

پيل سوختی از قسمتهای مختلفی تشکيل شده است که در هر قسمت می توان بررسی هايی در جهت افزايش راندمان صورت داد که از آن جمله می توان به موارد زير اشاره کرد :

– نوع کانال جريان آند (مارپيچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپيچ)

– لايه پخش گازی آند (جنس ، ميزان فشردگی)

– مواد و ضخامت لايه کاتاليست آند و کاتد

– لايه پخش گازی کاتد (جنس ، ميزان فشردگی)

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

– فاصله بين دو کانال در صفحات الکترود (يا بررسی شعاع گذر)

– مواد و ضخامت غشای تبادل يونی

– نوع کانال جريان کاتد (مارپيچ ، موازی ، سری ، موازی بلند ، شبکه ای و موازی مارپيچ(

– و….

استفاده از مواد جايگزين و کار آمدتر موضوعی است که بسياری از محققان در بررسی آن می کوشند . در حالت کلی استفاده از ابعاد مناسب ، استفاده از ماده مناسب و يک پيکر بندی صحيح برای پيل از جمله مـواردی است که در اين قسمت قابل بررسی است.

پژوهشهای بســياری در زمـينه يافتن ابعاد مناسب برای کانالهای تعبيه شده در صفحات الکتـرود موجود اسـت که به روشهای مختلفی همچون تحليلی ، تجربی ، شبيه سازی که در قالب ديناميک سيالات مورد مطالـعه قرار ميگرد و ترکيب تحليلی و تجربی به تحقيق پرداخته و هر کدام ابعادی مناسب پيشنهاد می کنند که بيــشترين راندمان در قدرت خروجی را دارا می باشند.

4-1- پژوهشهای انجام شده در مورد بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمری

سليمان[1] و همکارش ]1[ در سال 2007 از روش تاگوچي که در سال 1980 توسط خود تاگوچي معرفي شد ، برای بهينه سازی پارامترهای فرآيندی استفاده کردند . استفاده از اين روش تعداد آزمايشـات مورد نياز را به طرز چشـم گيري کاهش داده و اين سبب کاهش هزينه ها وکوتاهتر شدن زمان آزمايش مي گردد . در روش تاگـوچی دو دسته پارامـتر موجود است ، پارامترهای قابل کنترل و پارامترهای غـير قـابـل کنترل کـه اصطلاحا به آنان پارامترهاي نويز گفته ميشود . آن دسته از پارامترهايي که کنترل آنان بسيار سخت و هزينه بر است نيز جزو پارامترهاي غير قابل کنترل يا نويز به حساب مي آيد. سليمان و همکارش ]1[ در اين آزمايشات پارامـترهاي دماي کارکرد پيـل ، دماي رطوبت ، فشار کارکرد پيـل سوختي و نسـبت مصـرف سوخت در کاتد به آند را پارامترهاي قابل کنترل در نظر گرفت و مقاديری را بعنوان مقادير بهينه ارائه نمود و ادعا کرد که پيل سوختی در صورت عملکرد اين مقادير بيشترين راندمان خروجی را دارند.

بتی[2] و همكارانش ]3[ وابستگي فشار و دما را در سطح مشترك كاتاليست و غشا مورد بررسي قرار دادند. كاپادونيا[3] و همكارانش ]4[ وابستگي غشاي نفيون 117 را بعنوان تابعي از دما و مرطوبيت بررسي كردند. سريد‌هار[4] و همكارانش ]5[ اثر رطوبت بر چگونگي عملكرد پيل سوختي پليمري را تحقيق كردند و براي تحقيقات خود از يك سري آزمايشات مربوطه بهره گرفتند.

ونگ[5] و همكارانش ]6[ اثرات پارامترهاي عملكردي همچون دما و … را بر راندمان پيل‌هاي سوختي تحقيق كردند و بصورت عملي و آزمايشگاهي تأثير اين پارامترها را در حالت‌هاي مختلف نشان دادند. ونگ از هيدروژن خالص براي سوخت در طرف آند و از هواي معمولي در طرف كاتد استفاده كرد.

هيون[6] و همكارانش ]7[ با توجه به آزمايشات عملي به تحقيق در مورد اثرات مرطوبيت بيروني بر عملكرد پيل سوختي پرداختند.

هوانگ[7] و همكارانش ]8[ به بررسي ميزان تغييرات راندمان خروجي در ازاي تغييرات پارامترهاي عملكردي پرداختند و نتيجه آزمايشات خويش را ارائه كردند.

فرنگ[8] و همكارانش ]9[ علاوه بر انجام آزمايشات عملي يك مدل تحليلي ارائه كردند و با توجه به مدل تحليل و آزمايشات عملي به بررسي ميزان اثرات پارامترهاي عملكردي و همچنين مشخصات جريان در كانال جريان گازي و لايه پخش‌كننده گاز پرداختند.

سانتارلي[9] و همكارانش ]10[ بر روي ميزان مرطوبيت پيل سوختي در حالت اشباع و بدون مرطوبيت و همچنين ميزان فشارهاي واكنشگرها بصورت آزمايشگاهي تحقيق كرده و در نهايت نتايج خود را بعنوان مقادير مناسب براي پارامترهاي پيل سوختي درنظر گرفته و نتايج خويش را ارائه نمودند.

تيسيالني[10] و همكارانش ]11[ يك سري آزمايشات در جهت افزايش راندمان پيل سوختي انجام دادند و در مقاديری خاص تاثير اين پارامترها را بر عملکرد پيل سوختی مورد مطالعه قرار دادند.

وهدامه[11] و همكارانش ]12[ با استفاده از يك سري آزمايشات تجربي به مطالعه اثرات فشار گاز و نرخ جريان گازي در يك پيل سوختي w500 پرداختند.

لي[12] و همكارانش ]13[ با ارايه يك مدل همدما و پايدار از پيل سوختي پليمري به بررسي واكنش‌هاي پيل و شرايط بهينه عملكردي پارامترها پرداختند.

جردان[13] و همكارانش ]14[ اثر پارامترهاي لايه پخش گازي را بر عملكرد پيل سوختي مورد مطالعه قرار دادند. موتو پالي[14] و همكارانش ]15[ اثرات نفوذ آب بر غشايي از جنس نفيون 115 را مورد مطالعه قرار دادند. چندين تحقيق ]18-16[ با استفاده از مدل‌هاي شبيه‌سازي شده از پيل سوختي پليمري، به بررسي عملكرد سمت كاتد و عملكرد كاتاليست بعنوان تسريع بخش واكنش‌ها و همچنين مديريت آب و حرارت در پيل سوختي 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 : 17300تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

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

پشتیبانی سایت :        ———- ****       [email protected]

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.

*********  ********* *********

دسته بندی : رشته مکانیک