Выбор материалов с фазовым переходом с использованием метода анализа иерархий (МАИ)

Амер А.Э.; Рахмани К.; Лебедев В.А.

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.96.6.006

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ (МАИ)

Научная статья

Амер А. Э.1*, Рахмани К.2, Лебедев В. А.3

1 2, 3 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

*Корреспондирующий автор (eng.ahmed_amer[at]yahoo.com)

Аннотация

Актуальность исследования заключается в необходимости создания эффективных систем накопления тепловой энергии с использованием материалов, подверженных фазовым переходам. В этой статье Метод Анализа Иерархий (МАИ) используется для выбора типа материала для систем солнечного отопления с учетом технической спецификации и критериев материалов. В исследовании был проанализирован набор из пяти материалов с фазовым переходом для накопления тепловой энергии. Выбранные материалы имеют температуру плавления в требуемом диапазоне рабочих температур. В работе используются семь критериев. Результаты показывают, что парафин является лучшим материалом с фазовым переходом из выбранных с учетом всех теплофизических свойств и параметров, а также весов этих критериев.

Ключевые слова: Системы аккумулирования тепловой энергии, фазовый теплоаккумулирующий материал (ФТАМ), метод анализа иерархий (МАИ), матрица решений и весов альтернатив.

SELECTION OF MATERIALS WITH PHASE TRANSITION USING THE HIERARCHY ANALYSIS METHOD

(HAM)

Research article

Amer A. E. 1 *, Rakhmani K.2, Lebedev V. A. 3

1 2 3 Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia

* Correspondent author (eng.ahmed_amer[at]yahoo.com)

Abstract

The relevance of the study is related to the necessity to create effective thermal energy storage systems using materials that are subject to phase transitions. In this article, the Hierarchy Analysis Method (HAM) is used to select the type of material for solar heating systems with regard to the technical specifications and material criteria. The study analyzed a set of five materials with a phase transition for the accumulation of thermal energy. Selected materials have a melting point in the desired operating temperature range. The work uses seven criteria. The results show that paraffin is the best material with a phase transition from those selected with regard to all the thermo-physical properties and parameters, as well as the weights of these criteria.

Keywords: thermal energy storage systems, phase heat storage material (PHSM), hierarchy analysis method (HAM), decision matrix, and alternative weights.

Введение

Аккумуляция тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом считается перспективной технологией. Эта энергия может храниться в виде систем накопления тепла, скрытого тепла и термохимических веществ [1]. Применяемые материалы делятся на органические, неорганические и эвтектические. Существует огромное количество доступных материалов с фазовым переходом, поэтому выбор такого материала затруднен. Важно выбрать правильный материал для эффективного использования системы накопления тепловой энергии со скрытой теплотой. Основными критериями, которые определяют выбор материалов с фазовым переходом, являются: температура плавления, высокая тепловая латентность плавления, высокая теплопроводность, высокая плотность, термостабильность, стоимость и совместимость материала с фазовым переходом с материалом корпуса термоаккумулятора (устойчивость к коррозии). Важно учитывать свойства конструкционных материалов, которые подвергаются коррозионным воздействиям при использовании ФТАМ [2], [6]. Термостабильность, или влияние термоциклирования на различные ФТАМ было детально изучено [2], [7], [13]. Обнаружено, что парафиновый воск и жирные кислоты (например, лауриновая кислота, миристиновая кислота, пальмитиновая кислота и стеариновая кислота) имеют хорошую термическую стабильность и могут быть использованы для накопления солнечной тепловой энергии [2], [7], [10].

Методы системного анализа нашли применение для выбора материала с фазовым переходом для систем накопления тепловой энергии. Socaciu Lavinia и соавторы [14] использовали МАИ для ранжирования десяти коммерческих ФТАМ с учетом технической спецификации материалов. Наиболее важные критерии (теплофизические свойства) для этих материалов, имеют веса: теплопроводность и скрытая теплота плавления 36,34%; температура фазового перехода 13,25% и удельная теплоемкость 6,91%. PCM 7 (SavEnrg PCM-Hs01P) признан лучшим материалом с фазовым переходом для конкретного применения (поддержания теплового комфорта пассажиров автомобиля).

Метод анализа иерархий (МАИ) использовался также для определения приоритетов и выбора подходящего ФТАМ для комфортного применения в зданиях [15]. Целью было оценить лучший выбор коммерческого ФТАМ, используемого для данных целей. ФТАМ, который можно использовать в вышеуказанной системе, должен иметь температуру фазового перехода от 22 до 28°C. В этом исследовании были использованы пять критериев: температура фазового перехода, скрытая теплоемкость, плотность твердой фазы, удельная теплоемкость и теплопроводность материала.

Цель исследования - разработать методику выбора лучшего материала с фазовым переходом в накопителях тепловой энергии из выбранных материалов на стадии предварительного анализа для использования в солнечной водонагревательной системе.

Материалы и Метод Анализа Иерархий (МАИ)

В данном исследовании имеется набор из пяти материалов с фазовым переходом (ФТАМ), которые могут быть использованы для систем накопления солнечной тепловой энергии. Выбор лучшего (наиболее подходящего из них) производится с использованием метода анализа иерархий (МАИ). В таблице 1 показаны теплофизические свойства выбранных ФТАМ.

Метод анализа иерархий - это базовый подход к принятию решений или метод решения сложных проблем, включающий множество критериев, разработанных Саати [16]. Необходимо определить относительную важность набора критериев в задаче для принятия решения с несколькими атрибутами. МАИ предлагает решение, которое является наилучшим способом для изучения проблемы [17]. Полная процедура метода МАИ выглядит следующим образом [14], [15], [17].

Шаг 1: Определить цели.

Целью данного исследования является выбор наилучшего ФТАМ, используемого для хранения тепловой энергии в солнечных системах отопления.

Шаг 2: Определить критерии выбора типа ФТАМ.

В качестве критериев используются как теплофизические, химические свойства ФТАМ, так и экономические. В данном исследовании используются следующие критерии: скрытая теплота плавления (ЬИ), теплопроводность материала (К), удельная теплоемкость (СР), плотность (Б), термическая стабильность (8Т), стоимость (СО) и коррозия (СОК).

Шаг 3: Выбрать альтернативы

В таблице 1 представлены предварительно выбранные ФТАМ, являющиеся альтернативными вариантами. Из огромного количества ФТАМ выбраны материалы, имеющие температуру плавления в требуемом диапазоне рабочих температур. В данном исследовании были выявлены пять ФТАМ для аккумулирования солнечной тепловой энергии. Альтернативы: парафин (Р), лауриновая кислота (ЬА), миристиновая кислота (МА), пальмитиновая кислота (РА) и стеариновая кислота (8А).

Таблица 1 - Теплофизические свойства выбранных фазовых теплоаккумулирующих материалов (ФТАМ)

Температ УРа плавлени я (С) Скрытая теплота плавления (кДж / кг) Теплопро водность (К) Вт / м К Удельная теплоемко сть (СР) кДж / кг К Плотное ть (D) кг / м3 Термическая стабильность (скрытая теплота после 900 термических циклов)(8Т) Средня стоимо сть ($ / кг)(СО Коррози я (СОЯ.) Ссылка

Парафин (Р) 57,1 220 0,21 2,2-2,8 930 Более стабильный (224 ) 1,9 нет [7],[18], [19]

Лауриновая кислота (ЬА) 42,6 211,6 0,16 1,7-2,3 1007 Менее стабильный (132,8) 4,5 средний [10],[20]

Миристинов ая кислота (МА) 53,8 192 0,17 1,7-2,4 844 стабильный (159,1) 5 средний [10], [18], [19]

Пальмитино вая кислота (РА) 60,9 197,9 0,159 1,9-2,8 989 стабильный (162,9) 1,6 средний [10], [18], [19]

Стеариновая кислота ^А) 53,8 174,6 0,172 1,6-2,2 965 Менее стабильный (118,9 ) 3,5 средний [10, [18] , [19]

Шаг 4: Организовать в иерархической структуре цели, критерии и альтернативы. Дерево иерархии имеет три уровня: цель и проблемы наверху, множество критериев, которые определяют альтернативы - в середине, и альтернативные решения внизу. На рисунке 1 представлено иерархическое дерево для выбора ФТАМ, используемого для хранения солнечной тепловой энергии.

Шаг 5: Построить парную матрицу сравнений, используя шкалу относительной важности. Каждый элемент матрицы основан на девятибалльной шкале Саати, представленной в таблице 2. Пусть С = {СЩ = 1, 2, . . ., п} будет набором критериев. Результат парного сравнения по п критериям может быть обобщен в (п _ п) оценочной матрице А. Каждый элемент ау (1, ) = 1, 2, . . ., п) обозначает сравнительную важность критериев 1 по отношению к критериям Критерию, сравниваемому с самим собой, всегда присваивается значение 1, поэтому основными диагональными элементами матрицы парного сравнения являются все 1.

А =

1

а21

а12 1

ап1 ап2

а1п а2п

1 =

ар ' ау * 0 ау

(1)

Таблица 2 - Относительная значимость факторов [21]

Описание ^ над j) Относительная важность(ау)

Равное значение 1

Умеренное значение 3

Сильное значение 5

Очень большое значение 7

Абсолютная важность 9

Промежуточные значения 2,4,6,8

Рис. 1 - Иерархическое дерево для выбора фазовых теплоаккумулирующих материалов (ФТАМ), используемых для солнечных систем аккумулирования тепловой энергии

Шаг 6: Вычисление среднего геометрического( вМ^ для 1-й строки и нормализация среднего геометрического количества строк в матрице сравнения для получения относительного нормализованного веса С^) каждого критерия:

ОМ1 = (а/1ха/2ха/3х.....хаф

(1/п)

(2)

_ ам1

^=1 ом!

(3)

Шаг 7: Построить матрицу X, которая обозначает п-мерный вектор столбца, описывающий сумму взвешенных значений для степеней важности альтернатив

X = А х Ж =

1

а21

а12 1

ап1 ап2

а1п а2п

1

С1

= с2

^п Сп

(4)

Шаг 8: Рассчитать значение согласованности:

СУ Г

С! !

(5)

Шаг 9: Определить максимальное собственное значение Атах, которое является средним для значений согласованности.

Ег=п

= == 1 су г (6)

Яшах п

Шаг 10: Рассчитать индекс согласованности

С1 = Яшах ~ п (7)

п — 1

Следует отметить, что качество вывода МАИ строго связано с последовательностью суждений о попарном сравнении.

Шаг 11: Определить случайный индекс (М) для числа критериев, используемых при принятии решений из таблицы 3. _Таблица 3 - Средние значения случайного индекса (Я1) [21]_

Критерии 3 4 5 6 7 8 9 10

Случайный индекс(Ы) 0,52 0,89 1,11 1,25 1,35 1,4 1,45 1,49

Шаг 12: Рассчитать коэффициент согласованности

СЯ = — (8)

Я1

Число 0,1 является принятым верхним пределом для СЯ [15,17]. Если окончательный коэффициент согласованности превышает это значение, процедуру оценки необходимо повторить для улучшения согласованности. Измерение согласованности может использоваться для оценки согласованности лиц, принимающих решения, а также согласованности общей иерархии.

Шаг 13: Определить общий уровень эффективности каждой альтернативы в отношении критериев и цели решения:

1=п ]=т

Рк = Д ^г' Д ] (9)

г=1 =1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Где 'да (1 = 1, ... п) - веса критериев, ' (1 = 1, ... т) - веса альтернатив по критерию 1. Подходящий материал будет иметь самый большой общий вес по отношению к цели решения.

Результаты и обсуждения

Цель работы состоит в том, чтобы оценить лучший выбор ФТАМ, используемых в солнечной водонагревательной системе для хранения большого количества тепла. Пять выбранных ФТАМ, которые можно использовать в вышеуказанной системе, имеют температуру плавления 40-60 °С и могут пройти около 900 тепловых циклов. Важно изучить влияние термоциклирования на температуру плавления и скрытую теплоту плавления, они в свою очередь влияют на производительность системы накопления тепловой энергии. Таким образом, пять ФТАМ были выбраны благодаря хорошей термостойкости. После формирования иерархии для решения задачи, веса критериев, которые будут использоваться в процессе оценки, рассчитываются с использованием метода МАИ. На этом этапе разрабатывается индивидуальная матрица парного сравнения с использованием шкалы, приведенной в таблице 2. Лица, принимающие решения, используют следующие задания для выбора ФТАМ:

ЬИ К Л СР БТ СО СОЯ.

ЬИ

1 5 5 7 3 7 5

К

1/5 1 1 3 1/ 3 3 5

Л

1/5 1 1 3 1/ 3 3 5

СР

1/7 1/3 1/3 1 1/5 1 3

БТ

1/3 3 3 5 1 7 5

СО

1/7 1/3 1/3 1 1/7 1 1/3

СОЯ.

1/5 1/5 1/5 1/3 1/5 3 1

Матрица решений для критериев, используемых в этом исследовании.

Скрытая теплота (ЬИ) считается значительно более важной, чем теплопроводность (К) при выборе ФТАМ. Таким образом, значение относительной важности 5 присваивается ЬИ над К (то есть а12 = 5), а значение относительной важности 1/5 присваивается К над ЬИ (то есть а21 = 1/5). Точно так же, ЬИ считаются более важным, чем удельная

теплоемкость (СР). Таким образом, значение относительной важности 7 назначается ЬИ над СР (то есть а14 = 7), а значение относительной важности 1/7 назначается СР по ЬИ (то есть а41 = 1/7). Точно так же можно объяснить относительную важность среди других критериев. Однако можно добавить, что на практике значения относительной важности могут быть разумно определены пользователем/экспертами в зависимости от требований. Матрица принятия решений из пяти альтернатив с учетом критериев, используемых в данном исследовании:

1. КРИТЕРИИ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ (LH)

2. КРИТЕРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ (K)

' P LA MA PA SA~ ' P LA MA PA SA

P P

1 3 3 3 5 1 3 3 3 3

LA LA

1/3 1 3 3 5 1/3 1 1/3 1 1/3

MA K = MA

1/3 1/3 1 1/3 3 1/3 3 1 3 1

PA PA

1/3 1/3 3 1 3 1/3 1 1/3 1 1/3

SA SA

1/5 1/5 1/3 1/3 1 1/3 3 1 3 1

3. КРИТЕРИИ ПЛОТНОСТИ (D)

P LA MA PA SA

P

1 1/3 3 1/3 1/3

LA

3 1 5 3 3

D = MA

1/3 1/5 1 1/3 1/3

PA

3 1/3 3 1 3

SA

3 1/3 3 1/3 1

5. КРИТЕРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ (ST)

P LA

ST = MA PA SA

7. КРИТЕРИИ КОРРОЗИИ (COR.)

P LA

COR. = MA PA SA

P LA MA PA SA

1 7 5 5 7

1/7 1 1/5 1/5 1/3

1/5 5 1 3 5

1/5 5 1/3 1 3

1/7 3 1/5 1/3 1

P LA MA PA SA

1 3 5 5 3

1/3 1 3 3 1

1/5 1/3 1 3 1/3

1/5 1/3 1 1 1/3

1/3 1 3 3 1

4. КРИТЕРИИ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ (CP)

P LA

CP = MA PA SA

P LA MA PA SA

1 5 5 3 5

1/5 1 1 1/3 1

1/3 3 3 1 3

1/3 1 1 1/3 1

P LA

CO = MA PA SA

P LA MA PA SA

1 5 5 1 5

1/5 1 1 1/5 1/3

1 5 5 1 3

1/5 3 3 1/3 1

Результаты, полученные на основе матриц парного сравнения, приведены в таблице 4-11. На рисунке 2 показаны локальные веса, полученные с использованием каждого критерия тематического исследования. На рисунках 3 -9 показаны веса, полученные для альтернатив, соответствующих каждому критерию. В таблице 12. представлены окончательные результаты весов и ранжирования альтернатив, полученных методом МАИ.

Таблица 4 - Результаты, полученные из парных сравнительных матриц критериев, использованных в этом исследовании

Критерии Среднее геометрич еское^М) Веса (') Матрица Х=А^ Значение согласован ности(СУ) Макс. собственное значение (Хтах) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (СЯ)

Скрытая теплота плавления (К) 4,0660 0,4016 3,082465 7,674831 7,63 0,10529 0,07799

Теплопроводность (К) 1,1699 0,1155 0,847444 7,333253

Плотность (О) 1,1699 0,1155 0,847444 7,333253

Удельная теплоемкость (СР) 0,514 0,0508 0,387068 7,618581

Термическая стабильность ^Т) 2,4467 0,2416 1,767483 7,313192

Стоимость (СО) 0,358 0,0353 0,268252 7,58273

Коррозия(СОК) 0,398647 0,0393 0,33733 8,566686

В таблице 4. приведены результаты, полученные из матриц парных сравнений критериев, использованных в данном исследовании. Коэффициент согласованности матриц парного сравнения равен 0,07799, что меньше допустимого значения СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. На Рис.2 показано, что весовой коэффициент для критерия скрытой теплоты плавления (ЬИ) составляют около 40,16%, это является наиболее важным параметром, весовой коэффициент для термостабильности (8Т) составляет около 24,17%, и он считается следующим наиболее важным параметром. Веса для критериев теплопроводности (К) и плотности (Б) одинаковы 11,56% и являются менее значимыми. Критерии коррозии и стоимости оказались наименее значимыми.

В таблице 5 приведены результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев скрытой теплоты (ЬИ). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равно 0,07985, что меньше допустимого значения СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.3. показывает веса альтернатив, полученных методом МАИ с учетом критериев скрытой теплоты (ЬИ). Заметно, что наиболее подходящим материалом для критериев скрытой теплоты (ЬИ) является парафин (Р) с массой 41,88%, а следующими материалами являются лауриновая кислота (ЬА) и пальмитиновая кислота (РА) с массой 26,99% и 15,7% соответственно. Наименьшей массой обладают материалы миристиновая кислота (МА) и стеариновая кислота (8А) с массой 10,12% и 5,31% соответственно.

Рис. 2 - Веса критериев (Скрытая теплота плавления (К), Теплопроводность (К), Плотность (Б), Удельная теплоемкость (СР), Термическая стабильность (8Т), Стоимость (СО), и Коррозия(СОЯ.)), полученных методом анализа иерархий

Таблица 5 - Результаты, полученные из парной сравнительной матрицы альтернатив, учитывающих критерии скрытой теплоты (ЬИ).

Альтернативы с (К) Среднее геометриче ское(ОМ) Веса Матрица Х=А.Ш Значение согласован ности(СУ) Макс собственное значение (Хтах) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (СЯ)

Парафин (Р) 2,667269 0,4188 2,268712 5,417259 5,35 0,08864 0,07985

Лауриновая кислота (ЪА) 1,718772 0,2699 1,44978 5,372186

Миристиновая кислота (МА) 0,644394 0,1012 0,542516 5,362018

Пальмитиновая кислота (РА) 1 0,1570 0,849546 5,410707

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Стеариновая кислота ^А) 0,338504 0,0531 0,276945 5,210705

Рис.3 - Веса альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота (ЬА), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (РА), и Стеариновая кислота (8А)), полученных методом анализа иерархий с учетом критериев скрытой теплоты (ЬИ)

Таблица 6 - Результаты, полученные из парной сравнительной матрицы альтернатив с соблюдением критериев _теплопроводности (К)._

Альтернативы с (К) Среднее геометриче ское (ОМ) Веса Матрица Х=А.Ш Значение согласован ности(СУ) Максимальное собственное значение (Хтах) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (СЯ)

Парафин (Р) 2,4082246 8 0,4058 2,1883 5,392479 5,20 0,04894 0,09412

Лауриновая кислота (ЪА) 0,5172818 5 0,0872 0,44955 5,157328

Миристиновая кислота (МА) 1,2457309 4 0,2099 1,078130 5,135855

Пальмитиновая кислота (РА) 0,5172818 5 0,0872 0,44955 5,157328

Стеариновая кислота ^А) 1,2457309 4 0,2099 1,07813 5,135855

В таблице 6 приведены результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев теплопроводности (К). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равно 0,09412, что меньше допустимого значения СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.4. указывает веса альтернатив, полученных методом МАИ с учетом критериев теплопроводности (К). Заметно, что наиболее подходящим материалом для критериев теплопроводности (К) является парафин (Р) с массой 40,58%, а следующими материалами являются миристиновая кислота (МА) и стеариновая кислота (8А) с массой 20,99%, что в два раза меньше по сравнению с материалом на первом месте. Наименьший вес имеют материалы лауриновая кислота (ЬА) и пальмитиновая кислота (РА) с весом 8,72%.

Рис.4 - Веса альтернатив(Парафин (Р), Лауриновая кислота (LA), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (PA), и Стеариновая кислота (SA)), полученных методом анализа иерархий

с учетом критериев теплопроводности (K)

Таблица 7. Результаты, полученные из парной сравнительной матрицы альтернатив с соблюдением критериев

плотности (Б)

Альтернативы с (К) Среднее геометриче CKoe(GM) Веса (w) Матрица X=A.W Значение согласован Hocrn(CV) Максимальное собственное значение (Imax) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (CR)

Парафин (Р) 0,6443940 1 0,1033 0,562456 5,445185 5,39 0,0974 0,0877

Лауриновая кислота (ЪА) 2,6672686 0 0,4276 2,265085 5,297765

Миристиновая кислота (МА) 0,3749153 7 0,0601 0,316391 5,264607

Пальмитиновая кислота (РА) 1,5518455 7 0,2488 1,362341 5,476616

Стеариновая кислота ^А) 1 0,1603 0,875910 5,464299

В таблице 7. приведены результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев плотности (D). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равно 0,0877, что меньше допустимого значения CR 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.5. указывает веса альтернатив, полученных методом МАИ с учетом критериев плотности (D). Показано, что наиболее подходящим материалом для критериев плотности (D) является лауриновая кислота (LA) с весом 42,76%. Следующими материалами, которые можно использовать, являются пальмитиновая кислота (PA) и стеариновая кислота (SA) с вес 24, 88% и 16, 03% соответственно. Наименьшей массой материалов являются парафин (P) и миристиновая кислота (MA) с массой 10, 33% и 6, 01% соответственно и в четыре и семь раз меньше по сравнению с альтернативами, занимающими первое место.

Рис.5 - Веса альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота (LA), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (PA), и Стеариновая кислота (SA)), полученных методом анализа иерархий

с учетом критериев плотности (D)

Таблица 8 - Результаты, полученные из парной матрицы сравнения альтернатив с учетом критериев удельной теплоемкости (СР).

Альтернативы с (K) Среднее геометриче ское^М) Веса (w) Матрица X=A.W Значение согласованн ости(^) Максимальное собственное значение (Imax) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (CR)

Парафин (Р) 3,2719469 0,4981 2,5352527 2 5,090132 5,04 0,01043 0,0094

Лауриновая кислота (LA) 0,5818107 0,0886 0,4440559 7 5,013835

Миристиновая кислота (МА) 0,5818107 0,0886 0,4440559 7 5,013835

Пальмитиновая кислота (PA) 1,5518455 0,2362 1,1993487 2 5,077046

Стеариновая кислота (SA) 0,5818107 0,0886 0,4440559 7 5,013835

Таблица 8 показывает результаты, полученные из попарного сравнения альтернатив матрицы с соблюдением критериев удельной теплоемкости (СР). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равно 0,0094, что намного меньше, чем допустимое значение СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.6. показывает веса альтернатив, полученных из метода МАИ путем соблюдения критериев удельной теплоемкости (СР). Заметно, что наиболее подходящим материалом для критериев удельной теплоемкости (СР) является парафин (Р) с массой 49,81%, а следующим материалом является пальмитиновая кислота (ПА) с массой 23,62%. Наименьшей массой обладают материалы лауриновая кислота (ЬА), миристиновая кислота (МА) и стеариновая кислота (8А) с весом 8,86%. Значения их весов примерно в пять раз меньше, чем у парафина (Р), занимающий первое место.

Рис. 6 - Веса альтернатив(Парафин (Р), Лауриновая кислота (LA), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (PA), и Стеариновая кислота (SA)), полученных методом анализа иерархий

с учетом критериев удельной теплоемкости (CP)

Таблица 9 - Результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев

термостабильности (ST).

Альтернативы с (K) Среднее геометриче ское^М) Веса (w) Матрица X=A.W Значение согласован ности(CV) Макс. собственное значение (Imax) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (CR)

Парафин (Р) 4,14598014 0,5426 3,03310956 5,590436 5,45 0,11306 0,08374

Лауриновая кислота (ЬА) 0,28573809 0,0374 0,20748007 5,548723

Миристиновая кислота (МА) 1,71877192 0,2249 1,23432797 5,487785

Пальмитинова я кислота (PA) 1 0,1309 0,69411644 5,304166

Стеариновая кислота (SA) 0,49111861 0,0643 0,34255921 5,330084

В таблице 9 показаны результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев термостабильности (8Т). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равно 0,08374, что меньше допустимого значения СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора.

Рис.7. указывает веса альтернатив, полученных методом МАИ с учетом критериев термостабильности (БТ). Заметно, что наиболее подходящим материалом для критериев термостабильности (БТ) является парафин (Р) с массой 54,26%. Следующими материалами, которые можно использовать, являются миристиновая кислота (МА) и пальмитиновая кислота (РА) с массой 22,49% и 13,09% соответственно. Наименьшей массой обладают материалы стеариновая кислота (БА) и лауриновая кислота (ЬА) с массой 6,43% и 3,74% соответственно.

В таблице 10. показаны результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критерия стоимости (СО). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равен 0,03076, что намного меньше допустимого значения СЯ 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.8. указывает веса альтернатив, полученных методом МАИ, с учетом критериев стоимости (СО). Заметно, что наиболее подходящими материалами для критериев стоимости (СО) являются парафин (Р) и пальмитиновая кислота (РА) с массой 38,94% и 35,16% соответственно. Следующим материалом, который можно использовать, является стеариновая кислота (БА) с массой 13,39%. Наименьшей массой обладают такие материалы, как лауриновая кислота (ЛА) и миристиновая кислота (МА) с весом 6, 25%.

Рис. 7 - Веса альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота (LA), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (PA), и Стеариновая кислота (SA)), полученных методом анализа иерархий

с учетом критериев термостабильности (ST)

Таблица 10 - Результаты, полученные из парной матрицы сравнения альтернатив с учетом критерия стоимости

_(CO)

Альтернативы с (K) Среднее геометриче ское^М) Веса (w) Матрица X=A.W Значение согласован ности(CV) Максимальное собственное значение (Imax) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (CR)

Парафин (Р) 2,6265278 0,3894 2,035701 5,227135 5,14 0,03415 0,03076

Лауриновая кислота (LA) 0,4216846 0,0625 0,317890 5,084186

Миристиновая кислота (МА) 0,4216846 0,0625 0,317890 5,084186

Пальмитиновая кислота (PA) 2,3714406 0,3516 1,767952 5,027937

Стеариновая кислота (SA) 0,9028804 0,1339 0,704125 5,259582

0,00%

р ЬА МА РА ЗА

Рис. 8 - Веса альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота (ЬА), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (РА), и Стеариновая кислота (БА)), полученных методом анализа иерархий с учетом критериев стоимости (СО)

В таблице 11 приведены результаты, полученные из матрицы парного сравнения альтернатив с соблюдением критериев коррозии (COR.). Значение коэффициента согласованности матрицы парного сравнения равен 0,09361, что намного меньше допустимого значения CR 0,1. Следовательно, веса согласуются и используются в процессе выбора. Рис.9. указывает веса альтернатив, полученных методом МАИ с учетом критериев коррозии (COR.). Заметно, что наиболее подходящим материалом для критериев коррозии (COR) является парафин (P) с весом 45, 49%. Следующими материалами, которые можно использовать, являются стеариновая кислота (SA) и лауриновая кислота (LA) с массой 19,18%, что в два раза меньше по сравнению с парафином (P), занимающим первое место. Наименьшей массой материалов являются миристиновая кислота (МА) и пальмитиновая кислота (РА) с массой 8,96% и 7,19% соответственно.

Таблица 11 - Результаты, полученные из парной матрицы сравнения альтернатив _с соблюдением критериев коррозии (COR)._

Альтернативы с (К) Cреднее геометриче ское^М) Веса (w) Матрица X=A.W Значение согласован ности(CV) Максимальное собственное значение (Imax) Индекс согласован ности(С1) Коэффициент согласованности (CR)

Парафин (Р) 2,9541769 3 0,4549 2,413249 5,305313 5,42 0,10390 0,09361

Лауриновая кислота (ЪА) 1,2457309 4 0,1918 1,019748 5,316357

Миристиновая кислота (МА) 0,5818107 5 0,0896 0,524177 5,851154

Пальмитиновая кислота (РА) 0,4670436 7 0,0719 0,380349 5,288963

Стеариновая кислота (8А) 2,9541769 3 0,4549 2,413249 5,305313

Рис. 9 - Веса альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота ^А), Миристиновая кислота (МА), Пальмитиновая кислота (PA), и Стеариновая кислота (SA)), полученных методом анализа иерархий

с критерием коррозии (COR)

Таблица 12 - Окончательные результаты весов и ранжирования альтернатив, полученных методом анализа

иерархий с каждым критерием.

Альтернативы / Критерии Скрытая теплота плавлени я ( LH) Теплоп роводно сть (К) Плотно сть (D) Удельн. теплоем кость (CP) Термичес кая стабильн ость^Т) Стоимо сть (CO) Коррозия (COR.) Глобальные веса Ранжиров ания

вес 0,4016 0,1155 0,1155 0,0508 0,2416 0,0353 0,0393

Парафин (Р) 0,4188 0,4058 0,1033 0,4981 0,5426 0,3894 0,4549 0,2699 0,0872 0,4276 0,0886 0,0374 0,0625 0,1918 0,1012 0,2099 0,0601 0,0886 0,2249 0,0625 0,0896 0,1570 0,0872 0,2488 0,2362 0,1309 0,3516 0,0719 0,0531 0,2099 0,1603 0,0886 0,0643 0,1339 0,1918 0,41515 1

Лауриноваякис лота (ЪА) 0,19117 2

Миристиновая кислота (МА) 0,13644 4

Пальмитиновая кислота (РА) 0,16078 3

Стеариноваяки слота ^А) 0,09645 5

Таблица 12 и Рис. 10 указывают окончательные результаты весов и ранжирования альтернатив, полученных методом МАИ по каждому критерию. Обнаружено, что наилучшим материалом с фазовым переходом, который можно использовать для солнечных водонагревательных систем с учетом всех проанализированных критериев, является парафин (Р) с общим весом 41,52%. Следующие альтернативные материалы, которые могут быть использованы -лауриновая кислота (ЬА) и пальмитиновая кислота (РА) с общей массой 19,12% и 16,08% соответственно.

Рис. 10 - Глобальные веса для альтернатив (Парафин (Р), Лауриновая кислота (ЬА), Миристиновая кислота (МА),

Пальмитиновая кислота (РА), и Стеариновая кислота (8А)), полученных методом анализа иерархий

Заключение

Использование материалов с фазовым переходом считается перспективной технологией хранения тепловой энергии. Выбор материала с фазовым переходом затруднен из-за большого количества доступных материалов такого типа. Правильный выбор приводит к эффективному использованию скрытой теплоты в системах накопления тепловой энергии. Большинство исследователей используют фазовый теплоаккумулирующий материал (ФТАМ) в конкретном применении в зависимости от своего опыта или наличия материала. Тем не менее, несколько альтернатив должны быть рассмотрены и оценены с точки зрения множества различных конфликтующих критериев в задаче выбора фазового теплоаккумулирующего материала. Следовательно, эффективный подход к оценке альтернативных вариантов важен для улучшения качества решений. Метод анализа иерархий (МАИ) использовался для выбора материала из пяти альтернатив для солнечных систем отопления с учетом технической спецификации и критериев материалов. Результаты показали, что наилучшим подходящим материалом с фазовым переходом является парафин (P) с общим весом 41,52%. Следующими альтернативными материалами, которые можно использовать, являются лауриновая кислота (LA) и пальмитиновая кислота (PA) с общий весом 19,12% и 16,08% соответственно.

Конфликт интересов Conflict of Interest

Не указан. None declared.

Список литературы / References

1. Лебедев В. А. Проблема накопления и сохранения тепловой энергии в теплоэнергетике. Состояние и пути решения / В. А. Лебедев, А. Амер // Современные образовательные технологии в подготовке специалистов для минерально - сырьевого комплекса: Труды II всероссийский научой конференций. СПб. - 2018. - С. 929-935.

2. Lebedev V. A. Limitations of using phase change materials for thermal energy storage / V. A. Lebedev, A. E Amer // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019 - V. 378. 012044. - doi:10.1088/1755-1315/378/1/012044

3. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications / A. Sharma, V. Tyagi, C. Chen , D. Buddhi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2009. - V. 13. - P. 318-345.

4. Leong K. Y. Nano-enhanced phase change materials: A review of thermo-physical properties, applications and challenges / K. Y. Leong, M. R. A. Rahman, B. A. Gurunathan // Journal of Energy Storage. - 2019. - V. 21. - P. 18-31.

5. A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS)/ F. Agyenim, N. Hewitt, P. Eames, M. Smyth // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2010. - V. 14. -P. 615-628.

6. Amer A. E. A. Thermal Energy Storage by Using Latent Heat Storage Materials International / A. E. A. Amer, V. Lebedev // Journal of Scientific& Engineering Research. - 2018. - V. 9 (5). - P. 1442 - 1447.

7. Hadjieva M. Thermophysical properties of some paraffins applicable to thermal energy storage / M. Hadjieva, S. Kanev, J. Argirov // Solar Energy Materials and Solar Cells.-1992. - V. 27. -P. 181-187.

8. Hasan A. Some fatty acids as phase-change thermal energy storage materials / A. Hasan, A. Sayigh // Renewable Energy.-1994.- V. 4. - p. 69-76.

9. Sari A. Thermal reliability test of some fatty acids as PCMs used for solar thermal latent heat storage applications / A. Sari // Energy Conversion and Management. -2003. - V. 44. - P. 2277-2287.

10. Sari A. Some fatty acids used for latent heat storage: thermal stability and corrosion of metals with respect to thermal cycling Renew / A. Sari, K. Kaygusuz // Energy. -2003.- V. 28. - P. 939-948.

11. Sharma S. Accelerated thermal cycle test of latent heat-storage materials / S. Sharma, D. Buddhi, R. L. Sawhney // Solar Energy. -1999. - V.66. - P. 483-490.

12. Shukla A.Thermal cycling test of few selected inorganic and organic phase change materials / A. Shukla, D. Buddhi, R. Sawhney // Renewable Energy. -2008. -V. 33. -P. 2606-2614.

13. Sharma A. Accelerated thermal cycle test of acetamide, stearic acid and paraffin wax for solar thermal latent heat storage applications / A. Sharma, S. Sharma, D. Buddhi // Energy Conversion and Management. -2002. - V. 43. - p. 1923-1930.

14. PCM selection using AHP method to maintain thermal comfort of the vehicle occupants / Socaciu Lavinia, Giurgiu Oana, Banyai Daniel, Simion Mihaela // Energy Procedia. -2016. - V.85. - P. 489 - 497.

15. Socaciu L. G. Using the Analytic Hierarchy Process to prioritize and select phase change materials for comfort application in buildings / L. G. Socaciu, P. V. Unguresan // Mathematical Modelling in Civil Engineering. -2014. -V. 10. -P. 25-32.

16. SaatyT.L. Decision making with the analytic hierarchy process /T.L. Saaty // International journal services sciences. -2008. - V. 1. - No. 1. - P. 83-98.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

17. Rathod M. K. A methodological concept for phase change material selection based on multiple criteria decision analysis with and without fuzzy environment / M. K. Rathod, H. V. Kanzaria // Materials and Design. -2011. -V. 32. - p. 3578-3585.

18. Mehling H. Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications / H. Mehling, L.F. Cabeza // Springer. - 2008.

19. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications / B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling // Applied Thermal Engineering. - 2003. - V. 23. - P. 251-83.

20. Kenisarin M. Solar energy storage using phase change materials / M. Kenisarin, K. Mahkamov // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2007. - V. 11. - P. 1913-1965.

21. Saaty T. L. Models, Methods, Concepts & Applications of the Analytic Hierarchy Process / T. L. Saaty, L. Vargas // New York. -2012. - P. 6-9.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Lebedev V. A. Problema nakopleniya i sokhraneniya teplovoy energii v teploenergetike. Sostoyaniye i puti resheniya [The problem of accumulation and preservation of thermal energy in heat power engineering. Status and prospects] / V. A. Lebedev, А. Amer // Sovremennyye obrazovatel'nyye tekhnologii v podgotovke spetsialistov dlya mineral'no - syr'yevogo kompleksa: Trudy II vserossiyskiy nauchoy konferentsiy [Modern educational technologies in the training of specialists for the mineral resource complex: Proceedings of the II All-Russian Scientific Conference.]. - St. Petersburg, 2018. - P. 929-935.

2. Lebedev V. A. Limitations of using phase change materials for thermal energy storage / V. A. Lebedev, A. E Amer // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019 - V. 378. 012044. - doi:10.1088/1755-1315/378/1/012044 [in Russian]

3. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications / A. Sharma, V. Tyagi, C. Chen , D. Buddhi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2009. - V. 13. - P. 318-345.

4. Leong K. Y. Nano-enhanced phase change materials: A review of thermo-physical properties, applications and challenges / K. Y. Leong, M. R. A. Rahman, B. A. Gurunathan // Journal of Energy Storage. - 2019. - V. 21. - P. 18-31.

5. A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS)/ F. Agyenim, N. Hewitt, P. Eames, M. Smyth // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2010. - V. 14. -P. 615-628.

6. Amer A. E. A. Thermal Energy Storage by Using Latent Heat Storage Materials International / A. E. A. Amer, V. Lebedev // Journal of Scientific& Engineering Research. - 2018. - V. 9 (5). - P. 1442 - 1447.

7. Hadjieva M. Thermophysical properties of some paraffins applicable to thermal energy storage / M. Hadjieva, S. Kanev, J. Argirov // Solar Energy Materials and Solar Cells.-1992. - V. 27. -P. 181-187.

8. Hasan A. Some fatty acids as phase-change thermal energy storage materials / A. Hasan, A. Sayigh // Renewable Energy. -1994.- V. 4. - p. 69-76.