دانلود پایان نامه ارشد : طراحي بهينه هندسه ميدان جريان در پيل سوختی پليمری با استفاده از الگوريتم ژنتيک

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسي مکانيک

گرایش : ساخت وتوليد

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

دانشگاه مازندران

عنوان:

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

جهت اخذ درجه کارشناسي ارشد

مهندسي مکانيک- ساخت وتوليد

 

استاد راهنما:

دکتر محسن شاکری

 

استاد مشاور:

دکتر کورش صديقی

 

مهر ماه 88

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.

 

 

پارامتر

مقدار بهينه حاصل از الگوريتم حاضر مقدار گزارش شده بر اساس مرجع ]1[
دمای کارکردی پيل (oC) 75 75
فشار آند (bar) 5/4 5
فشار کاتد (bar) 5 5

 

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.

 

واژه های کليدی :

پيل سوختی پليمری، الگوريتم ژنتيک، بهينه سازی، پارامتر های فرآيندی، ماکزيموم توان

فهرست مطالب

فصل اول: 1

1-1 پيش‌ گفتار 2

1-2 پيل سوختي چيست‌ ؟ 2

1-3 بهينه سازی پارامترهای پيل سوختی پليمری 4

1-3-1 بهينه سازی پارامترهای فرآيندی 4

1-3-2 بهينه سازی در طراحی و ساخت پيل 5

1-4 پژوهشهای انجام شده در مورد بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمری 6

1-5 بهينه سازی پارامترهاي فرآيندي پيل سوختی پليمری 8

فصل دوم: 11

2-1 تاريخچه مختصري از پيل‌هاي سوختي 12

2-2 انواع پيلهای سوختی : 15

2-2-1 پيل‌هاي سوختي آلكاليني 16

2-2-2 پيلهای سوختی پليمری 16

2-2-3 پيل‌هاي سوختي اسيد فسفريكي 16

2-2-4 پيل‌هاي سوختي كربنات مذاب 17

2-2-5 پيل‌هاي سوختي اكسيد جامد 17

2- 3 طريقة عملكرد پيل سوختي پليمري 17

2-4 اهميت نيازمندي به پيل‌هاي سوختي 20

2-4-1 بازدهي بالا 20

2-4-2 تنظيم سيستم بر حسب نياز 20

2-4-3 سازگاري با قوانين محيط زيست 20

2-4-4 انعطاف پذيري نسبت به سوخت 21

2-4-5 افزايش توليد و كاهش توزيع 21

2-4-6 عدم نياز به تعمير 21

2-4-7 عدم انتشار يا حداقل پراكندگي انرژي 21

2-4-8 سادگي ساختار 22

2-4-9 سايز و ابعاد كوچك 22

2-5 كاربردهاي پيل سوختي 22

2-5-1 سيستم‌هاي قدرت 23

2-5-2 سيستم‌هاي حمل‌ونقل 24

2-5-3 سيستم‌هاي پرتابل 24

2-5-4 دستگاه‌هاي صوتي و تصويري 24

2-5-5 سيستم‌هاي نظامي 24

فصل سوم: 25

3-1 مقدمه 26

3-2 پيدايش الگوريتم ژنتيک 27

3-3 الگوريتم ژنتيک 28

3-3-1 عملگرهاي اصلي GA 29

3-3-1-1 روشهاي کدگذاري 29

3-3-1-2 جمعيت اوليه 31

3-3-1-3 تابع برازندگي 32

3-3-1-4 انتخاب 32

3-3-1-4-1 انتخاب چرخ گردان  (RWS) 33

3-3-1-4-2 انتخاب رقابتی 34

3-3-1-5 ادغام 35

3-3-1-6 جهش 37

3-3-1-6-1  احتمال جهش )) 38

3-3-1-7 ساير عملگرهای ژنتيکی 38

3-3-2 الگوريتم ژنتيک با نخبه سالاري ساده 38

3-3-3 روشهاي جايگزيني 39

3-3-4 معيار همگرايي 40

3-3-5 معيار عملکرد 41

3-3-6 تفاوت GA با روشهاي مرسوم بهينه‌سازي ]21[ 41

3-3-7 نقاط قوت GA 42

3-3-8  نقاط ضعف GA 42

3-3-9 در چه مواقعی از GA استفاده میشود 43

3-3-10 کاربردهای GA 43

3-4 بهينه سازی پارامتر های فرآيندی پيل سوختی با استفاده از الگوريتم ژنتيک 44

3-4-1 استفاده از حل تحليلی در الگوريتم ژنتيک حاضر 44

3-4-1-1 استفاده از آزمايشات عملي 45

3-4-1-2 استفاده از حلCFD 46

3-4-1-3 استفاده از حل تحليلي 46

3-4-2 تعريف تابع برازندگی 47

3-4-3 برنامه نويسی در محيط Manuscript File نرم افزار MATLAB 48

3-4-4 استفاده از الگوريتم ژنتيک نخبه گرا 48

3-4-4-1 کدگذاری مقادير پارامترها 48

3-4-4-2 انتخاب تعداد جمعيت اوليه و تعداد نسل ها 49

3-4-4-3 اعمال اپراتور پيوند و جهش در الگوريتم ژنتيک حاضر 50

3-4-5 استفاده از Lookup Table در محيط MATLAB Simulink 50

3-4-6 دليل انتخاب 3 پارامتر حاضر جهت بهينه‌سازي 52

فصل چهارم: 53

4-1 مدلسازی پيل سوختی پليمری با استفاده از حل تحليلی 54

4-1-1 مدلسازی کانال 54

4-1-2 مدلسازی MEA 55

4-1-3 متدولوژی حل معادلات 57

4-2 معتبر سازی مدلسازی با آزمايشات عملی 57

4-3 پارامترهای ثابت مدلسازی 61

فصل پنجم: 62

5-1 مقادير برازندگي های به دست آمده از حل تحليلي 63

5-2 اجراي الگوريتم ژنتيک لينک شده با MATLAB Simulink 63

5-3 تاثير دما بر عملکرد پيل سوختي 65

5-4 تاثير فشار بر عملکرد پيل سوختی 66

5-5 اهميت فشار آند نسبت به فشار کاتد 67

5-6 نمودارهای سه بعدی دما-فشار 70

فصل ششم: 72

6-1 نتيجه گيري 73

6-2 پيشنهادات 74

فهرست مراجع 75

پيوست الف 78

برنامه MATLAB لينک شده با MATLAB Simulink 78

پيوست ب 84

جداول Simulink و منحنی های دو بعدی و سه بعدی بيشينه توان 84

 

 

فهرست اشکال

فهرست اشکال 11

شكل (1-1) ايجاد جريان الكترسيته مستقيم از پيل سوختي در يك مرحله ]2[ 3

شكل (2-1) روند توسعه پيل سوختي]  2[ 12

شكل (2-2) پيل‌هاي سوختي در آپولو ] 2 [ 13

شكل (2-3) خودرويي با سوخت هيدروژني ]2[ 14

شكل (2-4) انتشارات ثبت شده سالانه در جامعه جهانی ] 2 [ 15

شكل (2-5) انواع پيل سوختي همراه با نوع واكنش و دماي كاركرد آنان ]2[ 18

شكل (2-6) اساس عملكرد پيل سوختي پليمري ]2[ 19

شكل (2-7) مجموعه‌اي از كاربردهاي مختلف پيل‌هاي سوختي ]2[ 23

شكل (3-1) طبقه‌بندي كلي روش‌هاي بهينه‌سازي] 19[ 27

شكل(3-2 ) نمودار گردشي الگوريتم ژنتيک 30

شكل (3-3) انتخاب چرخ‌‌گردان 34

(شکل 3-4) پيوند يک نقطه‌اي 36

شکل (3-5) الگوريتم ژنتيک با بکارگيری مفهوم نخبه‌سالاري 40

شكل (3-6) تعيين مقدار ماکزيموم بعنوان تابع برازندگی 47

شکل (3-7) نمودارالگوريتم ژنتيک بکار گرفته شده در تحقيق حاضر 49

شکل (3-8) بلوک دياگرام مورد استفاده درفشار جزيي آند 5 بار 52

شکل (4-1) روند حل معادلات پيل سوختی 57

شکل (4-2) پيل سوختی و دستگاه تست پژوهشگاه دانشگاه 58

شکل (4-3) مقايسه نتايج مدلسازی و آزمايشات عملی در دمای ثابت oC60 و فشار متغير 59

شکل (4-4) مقايسه نتايج مدلسازی و آزمايشات عملی در فشار ثابت 1 بار و دمای متغير 60

شکل (5-1) سرعت همگرايي الگوريتم ژنتيک لينک شده باMATLAB Simulink ُُُ 64

شکل(5-2) ماکزيمم توان به ازای مقادير مختلف فشار آند و کاتد. دمای کارکردی پيل ثابت و برابر دمای بهينه oC75 67

شکل (5-3) ماکزيمم توان پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابرمقادير بهينه 68

شکل (5-4) منحنی های پلاريزاسيون پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت کاتد. فشار آند و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه 68

شکل (5-5) ماکزيمم توان پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشار کاتد و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه 69

شکل (5-6) منحنی های پلاريزاسيون پيل سوختی در فشارهای مختلف سمت آند. فشارکاتد و دمای کارکردی پيل سوختی ثابت و برابر مقادير بهينه 70

شکل (5-7) ماکزيمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف آند. فشار کاتد ثابت و برابر فشار بهينه کاتد 71

شکل (5-8) ماکزيمم توان به ازای دما و فشارهای مختلف کاتد. فشار آند ثابت و برابر فشار بهينه آند 71

شکل (ب-1) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 95

شکل (ب-2) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 96

شکل (ب-3) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 97

شکل (ب-4) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 98

شکل (ب-5) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 99

شکل (ب-6) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 100

شکل (ب-7) بيشينه توان بر حسب دمای سلول و فشار کاتد، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 101

فهرست جداول

جدول (3-1) دامنه مقادير در نظر گرفته شده برای پارامترها 49

جدول (3-2) مقادير پارامترهای الگوريتم ژنتيک 50

جدول (4-1) مشخصات MEA مورد استفاده 58

جدول (4-2) مقادير پارامترهای هندسی و نرخ جريان ورودی در دو طرف 60

جدول (4-3) مقادير پارامترهای مدلسازی پيل سوختی پليمری 61

جدول (5-1) مقادير بهينه به دست آمده از الگوريتم ژنتيک برای پارامتر های فرآيندی 64

جدول (5-2) مقايسه مقادير بهينه بدست آمده  با آزمايشات عملی سليمان و همکارش ]1[ 65

جدول (ب-1) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5 بار 85

جدول (ب-2) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/4 بار 86

جدول (ب-3) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 4 بار 87

جدول (ب-4) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/3 بار 88

جدول (ب-5) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 3 بار 89

جدول (ب-6) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/2 بار 90

جدول (ب-7) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 2 بار 91

جدول (ب-8) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/1 بار 92

جدول (ب-9) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 1 بار 93

جدول (ب-10) مقادير ماکزيمم توان براي دماها و فشارهاي کاتد مختلف، فشار آند ثابت و برابر 5/0 بار 94

ليست علائم و اختصارات

 

سطح (cm2)

غلضت مولی (mol cm-3)

ضريب نفوذ (cm2 s-1)

پتانسيل الکتريکی (V)

ثابت فارادی (96,487 C mol-1)

ارتفاع کانال (cm)

چگالی جريان (A cm-2)

چگالی جريان (A cm-2)

چگالی جريان مرجع (A cm-2)

قابليت نفوذ

وزن مولکولی (kg mol-1)

نرخ جريان مولی (kg cm-2 s-1)

فشار (Pa)

ثابت جهانی گازها (8.314 J mol-1 K-1)

نرخ مصرف (mol s-1cm-2)

دما (K)

سرعت سيال در کانال (cm s-1)

سرعت در راستای عمود بر صفحه غشا (cm s-1)

ولتاژ سلول (V)

مختصات راستای کانال (cm)، کسر مولی

مختصات عمود بر صفحه غشا (cm)

ضريب خالص انتقال آب، ضريب انتقال بار

ويسکوزيته گاز (kg m-1s-1)

پتانسيل اتلافی (v)

چگالی (kg m-3)

ويسکوزيته سينماتيکی (cm2 s-1)

بالا نويس

شمارنده

مقدار مرجع

مقدار موثر

زير نويس

کانال

مقدار موثر

سمت آند

سمت کاتد

هيدروژن

آب

اکسيژن

فعال

حالت پايه

کاهش اهمی

کلی

پخش آند

پخش کاتد

اختصارات

GA      الگوريتم ژنتيک

MEA   مجموعه غشا

CFD ديناميک سيالات محاسباتی

پيش‌ گفتار

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.

تعداد صفحه :132

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

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.

--  --