معرفی
این آموزش کوپلینگ آند به شینه طراحی شده برای هدایت جریان مستقیم از منبع جریان به آند در فرآیند الکترولیز، مانند فرآیند کلر قلیایی برای تولید کلر و سدیم را تجزیه و تحلیل میکند. جریانی که از شینه بین سلولی به آند می گذرد، به دلیل تلفات مقاومتی، گرما تولید می کند، پدیده ای که به آن گرمایش ژول می گویند. اثر گرمایش ژول توسط قوانین بقای جریان الکتریکی و انرژی توصیف می شود. پس از حل شدن، دو قانون بقای به ترتیب دما و میدان الکتریکی را نشان می دهند.
هندسه شبیه سازی، که در شکل 1 نشان داده شده است، شامل اجزای کوپلینگ برای یک سلول و بخشی از باسبار بین سلولی است که به منبع تغذیه متصل است. از بالای آند با چهار ستون مرکزی تشکیل شده است که میله های مسی را به میله های مسی متصل می کنند.
شکل 1: هندسه اتصال آند به شینه مورد استفاده در این مثال.
هنگام طراحی کوپلینگ به شینه، هدف قرار دادن دمای عملیاتی پایین برای اجزای مسی برای جلوگیری از اکسیداسیون بیش از حد و حفظ رسانایی الکتریکی بالا مهم است. هدف از شبیه سازی شما محاسبه دقیق میزان گرم شدن شینه و مطالعه تاثیر دو پارامتر طراحی، قطر میله های بلند شده از بالای آند و عرض کانکتورهای مسی است که به بین سلولی متصل می شوند. باسبار، روی پدیده با انجام یک جارو پارامتریک می توانید تعیین کنید که کدام ترکیب از این پارامترها منجر به حداکثر دما در اجزای مس می شود که ترجیحاً کمتر از 90 درجه سانتیگراد باشد. بالاتر از این دما نرخ اکسیداسیون مس شروع به افزایش می کند.
تعریف مدل
شینه بین سلولی، میلههای اتصال مختلف و میلههای بلند شده از آند از مس ساخته شدهاند. برای اجزای آند و پیچ و مهره هایی که شینه های مسی را در کنار هم نگه می دارند، تیتانیوم را با فرض محیطی بسیار خورنده انتخاب کنید.
همه سطوح، به جز سطح پایین آند در تماس با الکترولیت و سطوح زمین شده شین بین سلولی، توسط همرفت طبیعی در هوای اطراف شینه خنک می شوند. از شرایط مرزی شار حرارتی همرفتی برای این منظور استفاده کنید، با فرض دمای اتاق سلول تا 35 درجه سانتیگراد. همین شرایط مرزی در سطح پایین آند اعمال می شود، جایی که دمای الکترولیت اطراف روی 100 درجه سانتیگراد تنظیم شده است. مرزهای مقطع باسبار بین سلولی به سرمایش یا گرمایش دستگاه کمک نمی کند. پتانسیل الکتریکی در این مرزها 0 ولت است. در سطح پایین آند، چگالی جریان عادی روی 8000 A/m2 تنظیم شده است .
شکل 2: تنظیمات مرزی در مدل.
نتایج و بحث
نمودار نشان داده شده در شکل 3 دمای دستگاه را نشان می دهد که به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از دمای محیط 35 درجه سانتی گراد است. بالاترین دما توسط قطعات تیتانیوم در تماس با الکترولیت داغ تجربه می شود. برای اجزای مسی، تغییرات دما در میله های مسی بیشترین میزان را دارد.
شکل 3: توزیع دما در شینه.
توزیع دما متقارن است با یک صفحه آینه عمودی که از آند با زاویه قائم به شینه بین سلولی عبور می کند. در این حالت مدل به قدرت محاسباتی زیادی نیاز ندارد و می توانید کل هندسه را مدل کنید. برای مدل های پیچیده تر، باید از تقارن استفاده کنید تا اندازه مدل را کاهش دهید.
افزایش قطر میله مسی و عرض میله های اتصال، ضمن ثابت نگه داشتن چگالی جریان اعمالی، منجر به کاهش دمای دستگاه می شود. در حالی که افزایش سطح مقطع منجر به گرمای بیشتر تولید شده توسط تلفات مقاومتی می شود، با افزایش سطح کل، افزایش حتی بیشتر در اثر خنک کننده وجود دارد که منجر به کاهش دما می شود.
با ترسیم حداکثر دما در اجزای مس در برابر پارامترهای قطر و عرض و قالب بندی نمودار مطابق شکل 4 ، می توانید به راحتی ترکیب پارامترهای قطر و عرض را تعیین کنید که به مقدار قابل قبولی از حداکثر دما منجر می شود.
شکل 4: حداکثر دما در مجموعه باسبار در برابر پارامترهای قطر میله و عرض رابط رسم شده و برای نشان دادن ترکیبات پارامترهایی که منجر به حداکثر دمای کمتر از 90 درجه سانتیگراد می شود، فرمت شده است.
مسیر کتابخانه برنامه: COMSOL_Multiphysics/Multiphysics/busbar_assembly
دستورالعمل مدلسازی
دسکتاپ COMSOL
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی Model Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
|
در پنجره Model Wizard ، روی 3D کلیک کنید .
|
2
|
در درخت انتخاب فیزیک ، انتقال حرارت > گرمایش الکترومغناطیسی > گرمایش ژول را انتخاب کنید .
|
3
|
روی افزودن کلیک کنید .
|
4
|
روی مطالعه کلیک کنید .
|
5
|
در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید .
|
6
|
روی Done کلیک کنید .
|
هندسه 1
دنباله هندسی برای این مدل برای تمرکز بر روی تنظیمات فیزیک و جاروی پارامتریک درج شده است. این همچنین پارامترهای مورد نیاز برای ایجاد هندسه را درج می کند.
1
|
در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید و Insert Sequence را انتخاب کنید .
|
2
|
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل busbar_assembly_geom_sequence.mph دوبار کلیک کنید .
|
3
|
در کادر محاورهای Insert Sequence ، هندسه 1 را در لیست انتخاب هندسه برای درج انتخاب کنید .
|
4
|
برای درج هندسه نهایی شده روی OK کلیک کنید .
|
5
|
در نوار ابزار Geometry ، روی ساختن همه کلیک کنید .
|
دنباله هندسه درج شده با استفاده از قطعات هندسی ایجاد می شود. در نسخه دیگری از باسبار، دنباله هندسی توسط گرههای گروهی ساخته میشود. هر دو نسخه باسبار شامل انتخابها و پارامترهای یکسانی هستند، اما روشهای متفاوتی برای ایجاد هندسه را نشان میدهند. برای درج دنباله هندسه جایگزین، COMSOL Multiphysics/Multiphysics/busbar_assembly_groups_geom_sequence.mph را مرور کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
پارامترهای سراسری در یک مدل به شما امکان می دهد تنظیمات را پارامتری کنید و می تواند توسط حل کننده پارامتری برای انجام جاروهای پارامتریک کنترل شود.
به بارگیری پارامترهای اضافی برای تنظیم فیزیک ادامه دهید.
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
|
3
|
روی Load from File کلیک کنید .
|
4
|
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل busbar_assembly_parameters.txt دوبار کلیک کنید .
|
مواد را اضافه کنید
1
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود .
|
2
|
به پنجره Add Material بروید .
|
3
|
در درخت، Built-in>Copper را انتخاب کنید .
|
4
|
روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
|
مواد
مس (mat1)
1
|
در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید .
|
2
|
از لیست انتخاب ، مس را انتخاب کنید .
|
مواد را اضافه کنید
1
|
به پنجره Add Material بروید .
|
2
|
در درخت، Built-in>Titanium beta-21S را انتخاب کنید .
|
3
|
روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
|
4
|
در نوار ابزار Home ، روی Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود .
|
مواد
تیتانیوم بتا-21S (mat2)
1
|
در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید .
|
2
|
از لیست انتخاب ، تیتانیوم را انتخاب کنید .
|
جریان های الکتریکی (EC)
زمین 1
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electric Currents (ec) کلیک راست کرده و Ground را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای زمین ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، مرز زمینی را انتخاب کنید ( گذرگاه بین سلولی 1) .
|
چگالی جریان معمولی 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Normal Current Density را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای چگالی جریان عادی ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، مرز الکترولیت ( شبکه سلولی بالای 1) را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Normal Current Density را پیدا کنید . در قسمت متن J n ، Jan را تایپ کنید .
|
انتقال حرارت در جامدات (HT)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک کنید .
شار حرارتی 1
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، مرزهای شار حرارتی را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید .
|
5
|
در قسمت متن h ، htca را تایپ کنید .
|
6
|
در قسمت متن T ، Ta را تایپ کنید .
|
شار حرارتی 2
1
|
در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست انتخاب ، مرز الکترولیت ( شبکه سلولی بالای 1) را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید .
|
5
|
در قسمت متن h ، htce را تایپ کنید .
|
6
|
در قسمت متن T ، Te را تایپ کنید .
|
مش 1
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات مش ، بخش Sequence Type را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست، مش کنترل شده توسط کاربر را انتخاب کنید .
|
اندازه
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Mesh 1 روی Size کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید .
|
3
|
روی دکمه Custom کلیک کنید .
|
4
|
قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . در قسمت متن حداقل اندازه عنصر ، mh را تایپ کنید .
|
5
|
روی ساخت همه کلیک کنید .
|
مطالعه 1
جارو پارامتریک
1
|
در نوار ابزار مطالعه ، روی پارامتر Sweep کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
|
3
|
روی افزودن کلیک کنید .
|
4
|
از لیست موجود در ستون نام پارامتر ، قطر میله r_d را انتخاب کنید .
|
5
|
روی Range کلیک کنید .
|
6
|
در کادر محاورهای Range ، 16[mm] را در قسمت متن شروع تایپ کنید .
|
7
|
در قسمت متن Step ، 2[mm] را تایپ کنید .
|
8
|
در قسمت متن توقف ، 20[mm] را تایپ کنید .
|
9
|
روی Replace کلیک کنید .
|
10
|
در ستون واحد پارامتر ، mm را وارد کنید .
|
11
|
در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
|
12
|
روی افزودن کلیک کنید .
|
13
|
از لیست موجود در ستون نام پارامتر ، عرض رابط زاویه a_c_w را انتخاب کنید .
|
14
|
روی Range کلیک کنید .
|
15
|
در کادر محاورهای Range ، 60[mm] را در قسمت متن شروع تایپ کنید .
|
16
|
در قسمت متن Step ، 10[mm] را تایپ کنید .
|
17
|
در قسمت متن توقف ، 90[mm] را تایپ کنید .
|
18
|
روی Replace کلیک کنید .
|
19
|
در ستون واحد پارامتر ، mm را وارد کنید .
|
به عنوان آخرین مرحله قبل از محاسبه راه حل، Sweep را به گونه ای پیکربندی کنید که تمام ترکیبات دو پارامتر را شامل شود.
20
|
در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
|
21
|
از لیست نوع Sweep ، همه ترکیبات را انتخاب کنید .
|
راه حل 1 (sol1)
1
|
در نوار ابزار مطالعه ، روی Show Default Solver کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید .
|
3
|
در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1 را گسترش دهید ، سپس روی Segregated 1 کلیک کنید .
|
4
|
در پنجره تنظیمات برای Segregated ، بخش General را پیدا کنید .
|
5
|
از لیست تثبیت و شتاب ، شتاب اندرسون را انتخاب کنید .
|
6
|
در نوار ابزار مطالعه ، روی محاسبه کلیک کنید .
|
نتایج
دما (ht)
1
|
در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما (ht) کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست رنگ ، خاکستری را انتخاب کنید .
|
سطح
1
|
در پنجره Model Builder ، گره Temperature (ht) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید .
|
5
|
در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید.
|
6
|
روی OK کلیک کنید .
|
7
|
در نوار ابزار دما (ht) ، روی Plot کلیک کنید .
|
8
|
اکنون باید نموداری مشابه تصویر 3 ببینید .
|
تعاریف
برای محاسبه میانگین افزایش دما از دمای محیط در دستگاه، یک پروب دامنه اضافه کنید.
Domain Probe 1 (dom1)
1
|
در نوار ابزار تعاریف ، روی Probes کلیک کنید و Domain Probe را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای Domain Probe ، قسمت Probe Type را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست نوع ، حداکثر را انتخاب کنید .
|
4
|
بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، مس را انتخاب کنید .
|
5
|
روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Solids>Temperature>T – Temperature – K را انتخاب کنید .
|
6
|
قسمت Expression را پیدا کنید . از لیست جدول و واحد نمودار ، degC را انتخاب کنید .
|
7
|
روی Update Results کلیک کنید .
|
جدول
1
|
به پنجره Table بروید .
|
2
|
روی Table Surface در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
|
نموداری مشابه تصویر زیر ظاهر می شود.
نتایج
در چند مرحله آخر میتوانید حاشیهنویسی اضافه کنید و نمودار را قالببندی کنید تا خواندن ترکیب پارامترها منجر به افزایش دمای قابل قبول شود.
سطح میز 2
1
|
در پنجره Model Builder ، در Results>2D Plot Group 6 روی Table Surface 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای سطح جدول ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید .
|
3
|
از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید .
|
4
|
برای گسترش بخش Range کلیک کنید . کادر بررسی Manual data range را انتخاب کنید .
|
5
|
در قسمت Maximum text عدد 90 را تایپ کنید .
|
6
|
قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید .
|
7
|
از لیست رنگ ، سبز را انتخاب کنید .
|
سطح میز 1
1
|
در پنجره Model Builder ، روی Table Surface 1 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای سطح جدول ، بخش Range را پیدا کنید .
|
3
|
کادر بررسی Manual data range را انتخاب کنید .
|
4
|
در قسمت Minimum text عدد 90 را تایپ کنید .
|
5
|
قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید .
|
گروه طرح دوبعدی 6
1
|
در پنجره Model Builder ، روی 2D Plot Group 6 کلیک کنید .
|
2
|
در پنجره Settings for 2D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید .
|
3
|
چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، قطر میله (r_d) (mm) را تایپ کنید .
|
4
|
کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، Angle connector width (a_c_w) (mm) را تایپ کنید .
|
حاشیه نویسی 1
1
|
روی 2D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Annotation را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای حاشیه نویسی ، بخش داده را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست Dataset ، Domain Probe 1 را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Annotation را پیدا کنید . در قسمت متن Text ، $T_\max\ >\ 90 \degree \mathrm{C}$ را تایپ کنید .
|
5
|
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 16.8[mm] را تایپ کنید .
|
6
|
در قسمت متن y ، 69[mm] را تایپ کنید .
|
7
|
قسمت Annotation را پیدا کنید . کادر علامت گذاری LaTeX را انتخاب کنید .
|
8
|
قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . تیک Show point را پاک کنید .
|
حاشیه نویسی 2
1
|
روی 2D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Annotation را انتخاب کنید .
|
2
|
در پنجره تنظیمات برای حاشیه نویسی ، بخش داده را پیدا کنید .
|
3
|
از لیست Dataset ، Domain Probe 1 را انتخاب کنید .
|
4
|
قسمت Annotation را پیدا کنید . در قسمت متن ، $T_\max\ <\ 90 \degree \mathrm{C}$ را تایپ کنید .
|
5
|
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 18.2[mm] را تایپ کنید .
|
6
|
در قسمت متن y ، 79[mm] را تایپ کنید .
|
7
|
قسمت Annotation را پیدا کنید . کادر علامت گذاری LaTeX را انتخاب کنید .
|
8
|
قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . تیک Show point را پاک کنید .
|
9
|
در نوار ابزار 2D Plot Group 6 ، روی Plot کلیک کنید .
|