 |
گرمایش الکتریکی در مجموعه شینه
معرفی
این آموزش کوپلینگ آند به شینه را که برای هدایت جریان مستقیم از منبع جریان به آند در فرآیند الکترولیز طراحی شده است، تجزیه و تحلیل می‌کند، مانند فرآیند کلر-قلیایی برای تولید کلر و سدیم. 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 مسی کمتر از 90 درجه سانتیگراد می شود. بالاتر از این دما، سرعت 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 یک محیط بسیار خورنده انتخاب می کنیم.
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. ما از شرایط مرزی شار حرارتی همرفتی برای این منظور استفاده می کنیم، با فرض دمای اتاق سلول تا 35 درجه سانتی گراد. همان شرایط مرزی در سطح پایین آند اعمال می شود، جایی که دمای الکترولیت اطراف آن 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 را قطعات تیتانیوم در تماس با الکترولیت داغ تجربه می کنند. 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 توانیم به راحتی ترکیبی از پارامترهای قطر و عرض را تعیین کنیم 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.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
هندسه باسباری که در این مثال استفاده می کنید از یک مجموعه Inventor آمده است. رابط LiveLink هندسه را از Inventor به COMSOL Multiphysics منتقل می کند. با استفاده از اینترفیس شما همچنین می توانید ابعاد باسبار را در فایل Inventor به روز کنید. برای اینکه این کار انجام شود، باید هر دو برنامه را در طول مدلسازی اجرا کنید، و باید مطمئن شوید که فایل اسمبلی باسبار، فایل فعال در Inventor است.
مسیر کتابخانه برنامه: LiveLink_for_ Inventor/Tutorials,_LiveLink_Interface/busbar_llinventor
دستورالعمل مدلسازی
شما می توانید این شبیه سازی را هم با کار در Inventor، با استفاده از محیط شبیه سازی COMSOL تعبیه شده و هم با کار در COMSOL Desktop مستقل راه اندازی کنید. صرف نظر از اینکه کدام مسیر را ادامه می دهید، ابتدا باید فایل CAD را با هندسه در Inventor باز کنید.
1 | در Inventor فایل busbar_assembly_cad/busbar_assembly.iam را که در پوشه Application Library مدل قرار دارد باز کنید. |
2 | به COMSOL Desktop بروید و بخش بعدی را رد کنید. یا اگر در داخل Inventor کار می کنید، به ادامه مطلب بروید. |
مدلسازی INSIDE INVENTOR
1 | در تب COMSOL Multiphysics روی دکمه New کلیک کنید . |
در صورتی که از قبل اجرا نشده باشد، محیط مدلسازی COMSOL شروع می‌شود و هندسه به‌طور خودکار همگام‌سازی می‌شود.
2 | مرحله 2 را در بخش Model Wizard ادامه دهید. |
دسکتاپ COMSOL
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
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
اگر در Inventor مدل سازی می کنید، هندسه از قبل هماهنگ شده است، و می توانید به مرحله 4 در بخش LiveLink برای Inventor 1 (cad1) بروید.
مطمئن شوید که از هسته ماژول واردات CAD استفاده شده است.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، قسمت Advanced را پیدا کنید . |
3 | از لیست نمایش هندسه ، هسته CAD را انتخاب کنید . |
LiveLink برای Inventor 1 (cad1)
1 | روی Component 1 (comp1)>Geometry 1 کلیک راست کرده و LiveLink Interfaces>LiveLink for Inventor را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات LiveLink for Inventor ، بخش Synchronize را پیدا کنید . |
3 | روی همگام سازی کلیک کنید . |
پس از چند لحظه، هندسه مجموعه باسبار در پنجره گرافیک ظاهر می شود .
4 | برای گسترش بخش Parameters در بسته CAD کلیک کنید . جدول شامل دو بعد rod_diameter.Parameter_part.ipt و connector_width.Parameter_part.ipt است که بخشی از مدل Inventor هستند. در Inventor، دکمه انتخاب پارامتر در تب COMSOL Multiphysics به شما امکان می دهد ابعاد را برای همگام سازی انتخاب و مشاهده کنید. این ابعاد بازیابی شده و در ستون نام CAD جدول ظاهر می شوند. ورودی های مربوطه در ستون نام COMSOL ، LL_rod_diameter_Parameter_part_ipt و LL_connector_width_Parameter_part_ipt، پارامترهای سراسری در مدل COMSOL هستند. اینها به طور خودکار در طول همگام سازی تولید می شوند و مقادیر ابعاد Inventor مرتبط به آنها اختصاص می یابد. مقادیر پارامتر در ستون مقدار COMSOL نمایش داده می شود . |
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. بنابراین، با پیوند دادن ابعاد Inventor به پارامترهای جهانی COMSOL، حل‌کننده پارامتری می‌تواند به‌طور خودکار هندسه را برای هر مقدار جدید در یک جابجایی به‌روزرسانی و همگام‌سازی کند.
5 | برای گسترش بخش Object Selections کلیک کنید . انتخاب های نمایش داده شده در اینجا به طور خودکار بر اساس مواد اختصاص داده شده در اجزای Inventor ایجاد می شوند. |
6 | برای گسترش بخش انتخاب مرزها کلیک کنید . انتخاب‌های فهرست‌شده در اینجا، انتخاب‌های تعریف‌شده توسط کاربر هستند که در فایل‌های Inventor برای اجزایی که روی آنها ظاهر می‌شوند، ذخیره شده‌اند. در Inventor، می‌توانید انتخاب‌ها را با استفاده از دکمه Selections در تب COMSOL Multiphysics تنظیم کنید . |
اگر در محیط شبیه سازی COMSOL تعبیه شده در Inventor کار می کنید، مرحله بعدی را رد کنید.
7 | روی LiveLink برای Inventor 1 (cad1) کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید . |
انتخاب مجاور 1 (adjsel1)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Selections>Adjacent Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for Adjacent Selection ، بخش Input Entities را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای افزودن ، در فهرست انتخاب‌های ورودی ، مس و تیتانیوم را انتخاب کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب مجاور ، قسمت انتخاب نتیجه را پیدا کنید . |
7 | از فهرست نمایش در فیزیک ، خاموش را انتخاب کنید . |
مرزهای شار حرارتی
1 | روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Selections>Difference Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب تفاوت ، مرزهای شار حرارتی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Geometric Entity Level را پیدا کنید . از لیست Level ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Input Entities را پیدا کنید .  روی افزودن کلیک کنید . |
5 | در کادر محاوره‌ای افزودن ، انتخاب مجاور 1 را در لیست انتخاب‌ها برای افزودن انتخاب کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در پنجره Settings for Difference Selection ، بخش Input Entities را پیدا کنید . |
8 |  روی افزودن کلیک کنید . |
9 | در کادر محاوره‌ای افزودن ، در فهرست انتخاب‌ها برای تفریق ، مرز الکترولیت و مرزهای زمینی را انتخاب کنید . |
10 | روی OK کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
جدول قبلاً شامل پارامترهای جهانی تولید شده به طور خودکار است که به ابعاد Inventor مرتبط هستند. این امکان وجود دارد که مقادیر این پارامترها را در اینجا ویرایش کنید و سپس همگام سازی کنید تا هندسه را تغییر دهید. اما در اینجا از حل کننده پارامتری برای اصلاح پارامترها استفاده خواهیم کرد.
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_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
مواد
مواد را اضافه کنید
از منوی Home ، Add Material را انتخاب کنید .
مواد را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Material بروید . |
2 | در درخت، Built-in>Copper را انتخاب کنید . |
3 | 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 . |
مواد را اضافه کنید
1 | از منوی Home ، Add Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | 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 ، مرزهای زمینی را انتخاب کنید . |
چگالی جریان معمولی 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Currents (ec) کلیک راست کرده 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 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)
شار حرارتی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک راست کرده 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 پنجره Model Builder ، روی Heat Transfer in Solids (ht) کلیک راست کرده 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 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 پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک راست کرده و Parametric Sweep را انتخاب 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 ، LL_rod_diameter_Parameter_part_ipt 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 | برای انتخاب ردیف شماره 2 در جدول کلیک کنید. |
14 | از لیست موجود در ستون نام پارامتر ، LL_connector_width_Parameter_part_ipt را انتخاب کنید . |
15 |  روی Range کلیک کنید . |
16 | در کادر محاوره‌ای Range ، 60[mm] را در قسمت متن شروع تایپ کنید . |
17 | در قسمت متن Step ، 10[mm] را تایپ کنید . |
18 | در قسمت متن توقف ، 90[mm] را تایپ کنید . |
19 | روی Replace کلیک کنید . |
20 | 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.
21 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
22 | از لیست نوع Sweep ، همه ترکیبات را انتخاب کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | روی Study 1 کلیک راست کرده و Show Default Solver را انتخاب 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 | روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1>Segregated 1 کلیک راست کرده و Compute را انتخاب کنید . |
نتایج
دما (ht)
