مدل سازی دمای انبار شراب

تلاش زیادی برای اختراع یا بهبود فناوری‌های موجود برای خنک کردن ساختمان‌ها، غذا یا هر کالایی که نیاز به نگهداری در دمای معین دارد، انجام می‌شود. دلیل آن ساده است: اتخاذ طرح های کارآمدتر منجر به دستیابی به همان هدف و در عین حال مصرف انرژی کمتر می شود. هم ترازنامه ما و هم محیط زیست از این راهکارها سود خواهند برد. در اینجا ما دمای مدل‌سازی یک طراحی خنک‌کننده غیرفعال را با استفاده از یک انبار شراب به عنوان مثال بررسی می‌کنیم.

خنک کننده فعال یا غیرفعال؟

هنگام برخورد با خنک کننده، اولین تصمیمی که باید بگیرید این است: فعال یا غیرفعال؟ اگر به سراغ فناوری خنک کننده فعال برویم، باید به اجزای مکانیکی تکیه کنیم. چنین راه حلی “سبز” نیست و معمولاً منجر به هزینه های عملیاتی بالا می شود. اگر به جای آن یک روش خنک کننده غیرفعال را انتخاب کنیم چه؟ در این صورت دانش ما از فیزیک به ما کمک می کند تا نیازهای خنک کننده خود را بدون اجزای مصرف کننده انرژی برآورده کنیم. یک مثال خوب از نحوه به کارگیری اصول فیزیک برای پیاده سازی فناوری خنک کننده غیرفعال، طراحی ساختمان های “سبز” است . مثال دیگری که مطمئنم برای شما جالب خواهد بود، انبارهای شراب است، جایی که خواص حرارتی زمین اطراف انبار به کاهش تغییرات دما نسبت به محیط بیرون کمک می کند.

خنک نگه داشتن انبار شراب

خنک کننده فعال اعمال شده برای ذخیره سازی شراب بسیار ساده است. شما می توانید آن را به عنوان یک نسخه بزرگتر از یک یخچال در نظر بگیرید. شبیه سازی می تواند کمک زیادی به دستیابی به یک طراحی کارآمد کند که در آن، اساساً، اگر قدرت کافی داشته باشیم، می توانیم سیستم خنک کننده خود را حتی اگر اندازه انبار یا توزیع قفسه های شراب بهینه نباشد، کار کند.

چیزی که من معتقدم چالش‌برانگیزتر (و سرگرم‌کننده‌تر) از یک سرداب فعال است، طراحی یک انبار خنک‌شده غیرفعال است. درست است که هزینه های عملیاتی آن بسیار پایین است و عملکرد آن به منابع خارجی انرژی مانند برق بستگی ندارد. با این حال، طراحی آن باید چندین محدودیت را برآورده کند که توسط ما تعیین نشده است. برای موفقیت، ما باید به سوالاتی مانند این پاسخ دهیم: با توجه به خواص حرارتی خاصی از زمین، یا مکانی که در معرض نوع خاصی از آب و هوا است، چقدر باید برای زیرزمینم حفاری کنم تا کار کند؟ چقدر باید بزرگ باشد؟ قفسه های شرابم را کجا بگذارم؟

زمانی که شبیه‌سازی به اندازه امروز سریع، دقیق و آسان نبود، ساخت یک انبار خنک‌شده غیرفعال به تجربه بسیار متکی بود. من مطمئن هستم که بیش از چند مورد از آنها خیلی سرد یا خیلی گرم بودند (شراب باید در حدود 12 درجه سانتیگراد نگهداری شود و انحراف از این مقدار نباید از 2± درجه سانتیگراد تجاوز کند). حفاری عمیق تر، یا کاهش عمق انبار پس از ساخته شدن و کارکردن، باید گران تمام شده باشد.

دمای مدل سازی: خنک کننده غیرفعال یک انبار شراب

امروزه می‌توانیم به راحتی یک شبیه‌سازی راه‌اندازی کنیم و با توجه به خواص حرارتی زمین و تغییر دمای بالای آن به عنوان تابعی از زمان، عمق بهینه زیرزمین را پیدا کنیم. در شکل 1، حوزه محاسباتی را به تصویر کشیده ام. همانطور که می بینید، من یک شبیه سازی متقارن محوری دو بعدی را انتخاب کرده ام و از یک دامنه عنصر نامحدود برای کاهش اندازه شبیه سازی بدون کاهش دقت آن استفاده کرده ام. به عبارت دیگر دامنه عنصر نامتناهی دامنه ای است که از نظر ریاضی به سمت بی نهایت کشیده شده است. ما لازم نیست نگران اجرای چنین فناوری خارق العاده ای باشیم. COMSOL Multiphysics از آن برای ما در زیر کاپوت مراقبت خواهد کرد.

شکل 1. دامنه های مورد استفاده برای شبیه سازی. شبیه سازی متقارن محوری دو بعدی است.

زیرزمین را در عمق 2 متری قرار دادم، قفسه های شراب را اضافه کردم (خواص حرارتی آنها را مشابه آب فرض کردم)، هوا (که عایق خوبی است) موجود در انبار بود و دمای اولیه 12 را تعیین کردم. درجه سانتی گراد به عنوان یک شرط مرزی در سطح زمین، من از عبارت T _ground = T _{میانگین} + ΔT · cos(ω · t) استفاده کردم که در آن T _زمین = 12 درجه سانتی گراد، ΔT = 20 درجه سانتی گراد، و ω = 2 · π · ƒ = 2 · π/P با P = 365 روز.

جالب است که از نتایج نشان‌داده‌شده در شکل 2 ببینید که خواص حرارتی زمین و عمق و هندسه سرداب باعث می‌شود موج گرمایی که از سطح زمین منشا می‌گیرد کم شود. در این حالت، هم خواص حرارتی و هم عمق بهینه است. مقدار اولیه 12 درجه سانتی گراد بیش از 3 درجه سانتی گراد تغییر نمی کند. این طرح را می‌توان توسط اکثر علاقه‌مندان به شراب پذیرفت و با اجرای یک شبیه‌سازی که در آن اعماق مختلف و پیکربندی‌های زیرزمین بررسی می‌شود، می‌توان آن را بیشتر اصلاح کرد.

شکل 2. دما به عنوان تابعی از زمان در نقاط مختلف حوزه محاسباتی.

در زیر می توانید یک نمایش سه بعدی از میدان دما پس از 1 سال را مشاهده کنید (دما در حوزه عنصر نامتناهی نشان داده نشده است). می توان توجه داشت که در اوج تابستان دمای سرداب هنوز قابل قبول است و زمین و هوا کمک زیادی به عایق بندی آن می کنند.

شکل 3. توزیع دما در حوزه محاسباتی پس از 1 سال.

شکل 4 زیر مشخصات دما را در امتداد محور تقارن با زیرزمینی که بین 2 متر و 4 متر زیر سطح زمین قرار دارد نشان می دهد. این یکی از طرح‌های مورد علاقه من است، زیرا به ما امکان می‌دهد واقعاً اثر مرطوب‌کننده حرارتی زمین اطراف انبار را ببینیم و وارونگی دما را که در تابستان و زمستان رخ می‌دهد، ثبت کنیم. خیلی تمیز، نمی گویید؟

شکل 4. مشخصات دما به عنوان تابعی از عمق در امتداد محور تقارن r=0 (شکل 1 را ببینید). خط چین عمودی نشان دهنده میانگین دمای ≈12 درجه سانتیگراد است. دو خط چین افقی به ترتیب نمایانگر سقف (z=-2 متر) و کف (z=-4 متر) سرداب است. چهار خط جامد نمایانگر مشخصات دما برای نقاط مختلف فصلی است. به دلیل ماهیت موج میرایی محلول، پروفیل ها در اطراف دمای متوسط ​​متقارن نیستند.

همانطور که در اینجا مشاهده کردید، با مدل‌سازی دما به صورت مجازی، نه تنها می‌توان انبار شراب خنک‌شده غیرفعال خود را طراحی کرد، بلکه نسبتاً آسان است.