–6

1-3- تحلیل پوش آور مرسوم9
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی9
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی10
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور12
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم 13
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی15
1-4- پوش آور مودی15
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی 15
1-6- نتیجه گیری16
فصل دوم « بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
2-1- مقدمه18
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار20
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار20
2-3-1- روشهای آمریکایی22
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن22
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ24
2-3-2- روشهای اروپایی27
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری27
2-3-2-2- روش انرژی29
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار30
2-4-1- شکل پذیری30
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه30
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری30
2-4-2- مقاومت افزون32
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون33
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون35
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها36
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون37
2-4-3- درجه نامعینی38
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای 39
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف42
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها44
2-5- محاسبه ضریب رفتار توسط آنالیز تاریخچه زمانی44
2-5-1- معیار های عملکرد در آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی45
2-5-1-1- معیار تغییر مکان نسبی بین طبقات46
2-5-1-2- معیار پایداری46
2-6-روش بررسی ضریب رفتار با روند fema p695 47
2-7- نتیجه گیری56
فصل سوم « مدلسازی مسئله »
3-1-مقدمه58
3-2-فرضیات58
3-3-تحلیل استاتیکی خطی59
3-4-تحلیل پوش آور64
3-5-تحلیل دینامیکی غیر خطی(incremental dynamic analysis)68
فصل چهارم « ارزیابی ضرایب رفتار قاب ها »
4-1-مشخصات دینامیکی مدل ها74
4-2- ضریب بیش مقاومت74
4-3-محاسبه ظرفیت خرابی بوسیله آنالیز IDA76
4-4- بررسی خرابی83
فصل پنجم « نتیجه گیری »
5-1 نتیجه گیری85
منابع87

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسز42
جدول2-2- نسبت دقت برای نیاز طراحی48
جدول2-3- نسبت دقت برای آزمایش مصالح49
جدول2-4 جهت محاسبه SSF53
جدول2-554
جدول2-655
جدول 3-1 مشخصات مصالح59
جدول 3-2 انواع قاب ها60
جدول 3-3 نتایج تحلیل استاتیکی خطی62
جدول3-4 خروجی پوش آور68
جدول 3-5 انواع شتاب نگاشت و ضریب نرمال سازی شتاب نگاشت ها69
جدول4-174
جدول4-275
جدول4-3 خروجی پوش آور75
جدول4-476
جدول 4-577
جدول4-678
جدول4-778
جدول 4-8 خروجی IDA79
جدول 4-980
جدول 4-1081
جدول 4-1181
جدول 4-1281
جدول4-13 نهایی82

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور11
شکل 1-2 منحنی پوش آور14
شکل 2-1 نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف25
شکل 2-2 مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد28
شکل 2-3 طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت 32
شکل 2-4 حالت های کلی ناپایداری.47
شکل2-5نمودار پوش آور50
شکل 2-6 نمودار IDA52
شکل 3-1 مقدار و نحوه بار گذاری بار مرده برای مدل پنج سقف با پنج دهانه60
شکل 3-2 ابعاد تیر و ستون مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-3 مقدار آرماتور طولی برای مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-4 منحنی رفتار فولاد مورد استفاده65
شکل 3-5 نمودار پوش اور مدل پنج دهانه پنج سقف67
شکل 3-6 نمودار IDA پنج دهانه سه سقف72
شکل 4-1 نمودار IDA پنج دهانه پنج سقف76
شکل 4-2 نمودار ADI سه دهانه سه سقف77
شکل 4-3 پوش اور نمودار مدل 3x380
شکل 4-4نمودار جابجایی نسبی طبقات83
چکیده
در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل نیاز است که ضریب رفتار با استفاده از روش های معتبر مورد نقد قرار گیرد. بدین منظور در این پایان نامه بر آن شدیم که با استفاده از روند آیین نامه FEMA p695 این ضریب را برای قاب های متداول ایران مورد بحث قرار دهیم.که روال انجام آن مختصرا به شرح زیر است. ما از نه قاب بتن آرمه با تنوع یک و سه و پنج طبقه و تعداد دهانه یک و سه و پنج دهانه استفاده کردیم که طراحی مدلهای سازه ای متنوع از یک سیستم سازه ای با توجه به آیین نامه های طراحی و بارگذاری مربوط، تشخیص میزان اطمینان از رفتار لرزه ای سیستم سازه ای مورد نظر، انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی برای محاسبه ضریب اضافه مقاومت سازه ها و ضریب شکل پذیری بر مبنای پریود، محاسبه نسبت مرز خرابی بوسیله آنالیز دینامیکی غیر خطی و مقایسه این نسبت با نسبتهای پیشنهادی آیین نامه با توجه به اصلاحات شکل طیفی و غیره. به این منظور از نرم افزار های ETABS, Seismostruct استفاده می شود.و در پایان به بررسی خرابی یک نمونه از مدل ها می پردازیم.و از جداول و نمودارها نتایج لازم استخراج می نماییم.
کلید واژه ها : ضریب رفتار ،ضریب اضافه مقاومت ،FEMA p695 ،قاب های خمشی بتن آرمه
فصل اول
« بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
در حال حاضر به نظر می رسد بهترین روش انجام آنالیزهای لرزه ای، آنالیز دینامیکی غیرخطی باشد ولی به دلیل پیچیدگی و زمان بر بودن آن محققین را بر آن داشته است تا طیف وسیعی از مطالعات در مورد آنالیز های استاتیکی غیرخطی موسوم به پوش آور مرسوم داشته باشند.با توسعه کاربرد تحلیل پوش آور در سالهای اخیر روشهای پوش آور پیشرفته متعددی برای لحاظ کردن اثر مود های بالاتر و همچنین اثر تغییرات مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء پیشنهاد شده است. روشهای پیشنهادی عموماً برای لحاظ کردن اثرات مود های بالاتر از چندین تحلیل پوش آور با الگوی بارهای متناسب با اشکال مودی سازه استفاده می نماید و نتایج حاصل از این تحلیل ها با یکدیگر ترکیب می شوند. در این فصل فرایند توسعه روشهای پوش آور به طور کامل شرح داده می شود و در انتها آخرین نتایج به دست آمده توسط محققین ارائه می گردد.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

1-1- مقدمه
در سالهای گذشته آنالیز ارتجاعی، بیشترین کاربرد را جهت تحلیل و بررسی رفتار سازه ها در مقابل زلزله داشته است، اما عملکرد سازه ها در زلزله ها نشان داده است که صرفاً تحلیلهای ارتجاعی برای این منظور کافی نیستند. آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی، دقیق ترین روش جهت بررسی رفتار سازه ها هنگام زلزله است، اما این روش بسیار وقت گیر و پیچیده است. در این شیوه برای آنالیز سازه نیاز به مجموعه ای از شتابنگاشتهای مختلف می باشد تا بتوان بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیزهای انجام شده تصمیم مقتضی گرفت، ضمن اینکه تصمیم گیری در مورد نتایج بدست آمده نیاز به دانش و تخصص کافی در این زمینه دارد.
در پی مشکلات عنوان شده پژوهشگران پیوسته به دنبال روشی بوده اند که بتواند با سرعت بالاتری سازه ها را در ناﺣﯿﮥ غیر خطی تحلیل کند. در این راستا ایدﮤ تحلیل استاتیکی فزایندﮤ غیر خطی در سال 1975 توسط محققین مطرح گردید و گامهای اولیه در این زمینه برداشته شد.
در روش مذکور، موسوم به آنالیز پوش آور متداول، سازه تحت الگوی بارگذاری ثابت تا تغییر مکان معینی موسوم به تغییر مکان هدف جلو برده می شود، مگر اینکه فروریزش سازه زودتر از رسیدن به تغییر مکان هدف رخ دهد. بعد از انجام آنالیز قادر به استخراج نتایجی از قبیل منحنی ظرفیت سازه، تغییر مکان نسبی طبقات، نیروهای داخلی اعضاء و دیگر پاسخهای لرزه ای سازه خواهیم بود .
لازم به ذکر است در طی سالهای اخیر تحلیل پوش آور به عنوان یک فرایند کاربردی نقش موثری در جهت پیشرفت و توسعه آنالیز های لرزه ای بر مبنای عملکرد داشته است و به طور گسترده ای در آیین نامه ها و دستوالعمل های بهسازی لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. در طی فرایند تحقیقات به عمل آمده در مورد روشهای پوش آور از سوی محققین و در جهت رفع معایب پوش آور مرسوم که قادر نمی باشد اثر مودهای بالاتر و اثر تغییر مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء در نظر بگیرد روشهای پوش‌آور جدیدی براساس مفاهیم ترکیب مودال سازه ارائه گردیده است. در سال 2002 روش MPAتوسط چوپرا وگوئل پیشنهاد شد. در این روش چندین تحلیل پوش‌آور با الگوی بار متناسب با اشکال مودی الاستیک چند مود اول انجام گرفته سپس پاسخ لرزه‌ای سازه از ترکیب پاسخ‌های حاصل از هر مود با استفاده از روش ترکیب مجموع مربعات (SRSS) بدست می‌آمد. از آنجایی که در مودهای بالاتر افزایش جابجایی بام متناسب با افزایش جابجایی سایر طبقات نمی‌باشد و حتی در برخی موارد با افزایش برش پایه طبقه بام در جهت عکس حرکت می‌کند لذا استفاده از جابجایی بام به عنوان نقطه کنترل تغییر مکان در مودهای بالاتر با ابهاماتی روبه‌رو بوده است. در سال 2004 چوپرا وگوئل برای رفع این نقیصه روش MMPA ارائه کردند. در تمام این تحلیل‌ها به علت آنکه الگوی بارگذاری ثابت است و باتوجه به کاهش سختی در طی تحلیل الگوی بار بهنگام نمی شود همچنان این آنالیز ها ازنتایج خوبی برخوردار نبود.
پس از چوپرا وگوئل با انجام مطالعات‌و بررسی‌ها در جهت رفع نواقص روش های قبلی، روشهایی ابداع شد که در هرمرحله با کاهش سختی ناشی از تسلیم اعضاء بارگذاری بهنگام می شود و در سالهای اخیر توسط آنتونیو و پینهو جدیدترین روشهای پوش‌آور تطبیقی APA که به صورت یک مدل تحلیل فیبری (Fiber)تحت عنوان روشهای FAPوDAPتوسعه یافته است. در ادامه پس از مروری بر آنالیز های لرزه ای مورد استفاده در آئین نامه ها به شرح کامل آنالیز استاتیکی غیر خطی خواهیم پرداخت.
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها
به منظور بررسی رفتار سازه در مقابل زلزله و همچنین طراحی لرزه‌ای، نیاز به تحلیل لرزه‌ای میباشد. انتخاب نوع تحلیل بستگی به عواملی همچون دقت مورد انتظار و توصیه آیین نامهها دارد. آنالیز لرزه‌ای سازهها به چهار روش استاتیکی و دینامیکیِ خطی و غیرخطی انجام می‌شود که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل
این روش از متداولترین شیوه‌های تحلیل لرزه‌ای است که در تمام آیین نامه‌های زلزله دنیا با اختلافاتی جزئی نسبت به یکدیگر از آن استفاده شده است. روش کار بدین گونه است که برش پایه طرح که درصدی از وزن سازه است و توسط ضریبی به نام ضریب زلزله بدست می آید، بر اساس یک الگوی بارگذاری مشخص در امتداد قائم سازه توزیع و به آن وارد میگردد. پس از این مرحله با استفاده از ترکیبات بارگذاری توصیه شده توسط آیین نامهها، تحلیل سازه با فرضیات و تئوری های حاکم بر رفتار ارتجاعی و خطی، انجام می گیرد و نیروهای داخلی اعضا استخراج و سپس طراحی صورت می پذیرد.
الگوی بارگذاری در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ایران) به شکل مثلثی و برگرفته از شکل مود اول الاستیک سازه است. در استاندارد 2800 ایران، نیروی برشی پایه ، مطابق رابطه زیر در ارتفاع ساختمان توزیع می گردد:
(1-1)
در رابطه (1-1):
: نیروی جانبی در تراز طبقهام، : ارتفاع طبقهام از تر از پایه،: ارتفاع طبقهام از تراز پایه، : وزن موثر طبقهام، : وزن موثر طبقهام و نیروی جانبی اضافی در تراز سقف که بوسیله رابطه زیر تعیین می شود:
(1-2)
نیروی نباید بیشتر از در نظر گرفته شود و چنانچه برابر یا کوچکتر از ثانیه باشد، می توان آن را برابر صفر اختیار نمود.
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی
از دیگر روشهای تحلیل لرزه‌ای سازهها که به طور کاربردی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، تحلیل دینامیکی خطی است که به دو روش طیفی و تاریخچه زمانی صورت می‌پذیرد.
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال
در این روش نیز مانند تحلیل استاتیکی معادل، رفتار اعضای سازه در طی تحلیل سازه ارتجاعی فرض می‌گردد. مشخصات دینامیکی سازه که در طی تحلیل از آن استفاده می‌گردد، مانند زمان تناوب مود‌ها و اشکال مودی، بر رفتار ارتجاعی استوار است. در این روش ابتدا مشخصات دینامیکی سازه در هر مود محاسبه می‌گردد (که امروزه این کار بوسیله نرم‌افزارهای تخصصی انجام می گیرد)، سپس شتاب پاسخ هر مود با توجه به زمان تناوب آن بر اساس طیف پاسخ زلزله مورد نظر یا طیف طرح آیین نامه محاسبه و به دنبال آن هر گونه پاسخ لرزه‌ای سازه در آن مود مانند برش پایه، نیروی طبقات، تغییرمکان نسبی طبقات، نیروی اعضا و ... طبق مشخصات دینامیکی آن مود بدست خواهد آمد. پس از آن با استفاده از روشهای آماری معتبر مانند جذر مجموع مربعات(SRSS) یا ترکیب مربعی کامل(CQC) پاسخ مودها با یکدیگر ترکیب و به این ترتیب پاسخ کلی حاصل می‌گردد.
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی
فرضیات این تحلیل نیز مانند تحلیل طیفی خطی بر اساس رفتار ارتجاعی اعضا و سازه استوار است. شیوه تحلیل بدین گونه است که پی سازه تحت اثر شتابنگاشت زلزله مورد نظر با به کارگیری روابط دینامیک سازه تحلیل می‌شود و پاسخهای سازه در هر گام زمانی ثبت می گردد و مجموعهای موسوم به تاریخچه پاسخ حاصل می گردد. در نهایت مهندس طراح بر اساس تاریخچه های پاسخ سازه در مقابل شتابنگاشتها و اتکا بر دانش و قضاوت مهندسی، در مورد چگونگی کاربرد پاسخ ها جهت طراحی سازه تصمیم خواهد گرفت.
خصوصیات شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل به شرح زیر است.
الف- حداقل باید سه زوج شتاب نگاشت انتخاب گردد که در این صورت حداکثر بازتاب در هر لحظه زمانی از این سه زوج به عنوان بازتاب نهایی تلقی می‌گردد. از هفت زوج شتابنگاشت نیز جهت تحلیل می‌توان استفاده کرد که در این حالت، بازتاب نهایی مورد نظر، میانگین بازتاب‌های بدست آمده خواهد بود.
ب- ساختگاههای شتابنگاشتها باید به لحاظ ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی و خصوصیات لایه‌های خاک با زمین محل ساختمان، تا حد امکان مشابهت داشته باشند.
ج- مدت زمان حرکت شدید زمین در شتابنگاشتها، حداقل برابر با 10 ثانیه یا سه برابر زمان تناوب اصلی سازه، هرکدام که بیشتر است باشد .
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی
در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی رفتار سازه در حوزه غیرارتجاعی تحت شتابنگاشت زلزله مورد نظر بررسی می‌گردد. جهت حصول نتایج مطلوب لازم است مشخصات غیرخطی اجزا از قبیل مقاومت، سختی، میزان شکل‌پذیری و همچنین رفتار چرخه‌ای کامل آنها که در نرم افزار مدلسازی می‌گردد، با مشخصات رفتار واقعی آنها مطابقت داشته باشد. این مشخصات معمولاً بوسیله مدلهای ساخته شده در آزمایشگاهها تعیین می شوند . محاسبه تحلیلی پاسخ دینامیکی سازهها در حوزه غیرخطی، حتی اگر تغییرات زمانی تابع تحریک، تابع سادهای باشد، معمولاً امکان پذیر نیست، در نتیجه روش اصلی برای تحلیل سیستم های غیرخطی، روشهای عددی است که از آن جمله می توان به دو روش تفاضل مرکزی و روش نیومارک اشاره نمود. امروزه این کار به عهده رایانه هاست و اساس تحلیل در آنها به روشهای عددی استوار است. در این روش در هر گام زمانی از تحلیل، سختی سازه اصلاح می گردد و پاسخ سازه در آن گام بر اساس سختی اصلاح شده محاسبه می گردد که ثبت پاسخ ها در گامهای زمانی مربوطه منجر به تهیه تاریخچه پاسخ واقعی سازه خواهد شد .
لازم بذکر است که تحلیل سازه به روش تاریخچه زمانی غیرخطی تا حدودی مشکل و وقت گیر است، ضمن اینکه مدلسازی اعضای آن و از طرف دیگر بررسی نتایج تحلیل نیاز به تخصص کافی در این زمینه دارد. این روش معمولاً جهت کارهای تحقیقاتی و تحلیل سازههای خاص و حساس بکار می رود.
بکارگیری روشهای دینامیکی در تحلیل لرزه‌ای کلیه سازه ها مناسب و اختیاری است، اما بر اساس استاندارد 2800 ایران برای ساختمانهای منظم با ارتفاع بیش از 50 متر از تراز پایه و ساختمانهای نامنظم بیش از 5 طبقه و یا ارتفاع بیش از 18 متر اجباری است.
با توجه به مسائل فوق و مشکل بودن این روش از تحلیل لرزه‌ای، محققین بدنبال روشی بوده اند که ضمن دارا بودن سرعت و دقت لازم در تحلیل، عملاً از سادگی نیز برخوردار باشد. حاصل تحقیقات، ارائه روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور) در چند دهه گذشته و روند تکاملی آن در سالهای اخیر بوده است. در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی
درسالهای اخیرتحلیل استاتیکی غیرخطی درمقایسه با تحلیل های دینامیکی غیرخطی موردتوجه بیشتری قرارگرفته است.علت این مسأله توانایی تحلیل های استاتیکی غیرخطی درمحاسبه پارامترهای سازهای بدون نیازبه مدلسازی و محاسبات پیچیده خاص تحلیل های دینامیکی غیرخطی است .
توضیح اینکه هرچند از روش های دینامیکی غیرخطی به دلیل درنظرگرفتن توأم اثرات دینامیکی نیرو و رفتارغیرخطی اعضابه عنوان کاملترین روش یاد می شود،امابه دلیل مشکلاتی ازقبیل پیچیدگی،پرهزینه بودن وهمچنین حساسیت زیاد نتایج آن به دقت مدل وفرضیات حرکت زمین،که عدم توجه به آنها باعث کاهش شدید دقت نتایج خواهدشد،باعث می شود به سختی بتوان از این روش برای مسائل کاربردی ومهندسی استفاده کرد.
عامل مهم دیگر یکه باعث تمایل بیشتر به استفاده ازروش تحلیل استاتیک غیرخطی شده است، توانایی این روش دردنبال کردن گام به گام رفتارسازه درطول عملکردغیرارتجاعی آن وتعقیب مکانیزم شکست دراعضاءمی باشد،که این مسأله درتحلیل دینامیکی غیرخطی به سادگی میسرنمیشود. البته باید توجه داشت که دربکارگیری این روش های ساده شده بایدعدم قطعیتهاراموردتوجه قرارداد تا بتوان روش مذکوررابه عنوان ابزاری در روش های طراحی براساس عملکردگنجاند.
این روش به نحو مناسبی در سالهای اخیر مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفته و به عنوان ابزاری مناسب جهت تحلیل و تخمین نیاز لرزه‌ای سازه ها در محدوده غیر خطی مورد استفاده قرار گرفته است. روش مذکور جای خود را در بین روشهای آنالیز غیر خطی به خوبی باز نموده تا جائیکه در سالهای گذشته آیین نامه ها مباحث آنرا در سرفصل های خود جای داده اند، تاکنون گزارشها و دستورالعمل های متعددی از جمله سری آیین نامه های FEMA، ATC و همچنین دستورالعمل بهسازی لرزه ای ایران در این زمینه منتشر شده اند .
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی
اساس کلی روش مذکور موسوم به آنالیز پوش آور مرسوم بدینگونه است که یک بار جانبی مطابق با الگوی بارگذاری ثابت و مشخصی به صورت فزاینده و گام به گام تا رسیدن به یک تغییر مکان از پیش تعیین شده به نام تغییر مکان هدف و یا فرو ریزش و خرابی نهایی سازه به آن اعمال می‌شود. سپس در آن تغییر مکان نیازهای لرزه‌ای سازه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در شکل (1-1) مراحل اعمال بار جانبی به سازه و تغییر شکل آن از حالت ارتجاعی تا فروریزش نشان داده شده است .

شکل (1-1): مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور
در این روش رفتار یک سیستم چند درجه آزاد از طریق یک سیستم یک درجه آزاد معادل مورد مطالعه قرار می گیرد. سیستم یک درجه آزاد معادل نماینده یک سیستم چند درجه آزادی در یک مود مشخص است که دارای خصوصیات مشابهی از جمله پریود و رفتار خطی و یا غیر خطی اجزاء می‌باشد. این مفهوم در مهندسی زلزله جایگاه و کاربرد ویژه ای دارد که می توان به تهیه طیف پاسخ زلزله بوسیله آن اشاره نمود.
ارتباط اصلی بین این دو سیستم در آنالیز استاتیکی غیر خطی بوسیله ضریب مشارکت مودی، مود اصلی سیستم چند درجه آزاد، ایجاد می گردد. این ضریب از رابطه (1-3) قابل محاسبه است.
(1-3)
که و به ترتیب بردار شکل مود اصلی و بردار جرم سیستم چند درجه آزاد می‌باشند.
حال با داشتن ضریب انتقال و نتایج تحلیل پوش آور سیستم چند درجه آزاد و بکارگیری رابطه (1-4) مشخصه های نیرو- تغییر شکل سیستم یک درجه آزاد تعیین می‌گردند.
(1-4)
در روابط فوقو به ترتیب تغییر مکان (بام) و برش پایه نظیر آن در سیستم چند درجه آزادی می باشند.
بدین ترتیب منحنی ظرفیت سیستم یک درجه آزاد معادل قابل ترسیم است.
اگر چه این روش از تئوری قوی برخوردار نیست اما مطالعات پژوهشگران نشان داده است که اگر مود اصلی در رفتار سازه حاکم باشد در نظر گرفتن ضریب انتقال به صورت ثابت در مقابل تغییرات کوچک تا متوسط بردار شکل هنوز می تواند تخمین خوبی جهت تبدیل سیستم چند درجه آزاد به یک درجه آزاد باشد.
حداکثر تغییر مکان سیستم یک درجه آزاد معادل، که در معرض حرکات زمین ناشی از زلزله قرار گرفته است را می توان بوسیله طیف های ارتجاعی، غیر ارتجاعی و یا آنالیز تاریخچه زمانی بدست آورد. پس از تعیین تغییر مکان در سیستم یک درجه آزاد، حداکثر تغییر مکان سیستم چند درجه آزاد با استفاده از رابطه (1-4) تخمین زده خواهد شد.
لازم به توضیح است که تخمین و محاسبه تغییر مکان حداکثر یک سیستم یک درجه آزاد در مقابل حرکات زمین، موسوم به تغییر مکان هدف از طریق طیف پاسخ و یا آنالیز تاریخچه زمانی گستردهای همچون تحلیل طیف ظرفیت را در بر می‌گیرد.
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور
با توجه به اینکه این روش از تحلیل، رفتار سازه را در حالت غیر ارتجاعی نیز بررسی می کند بسیاری از خصوصیات رفتاری سازه که در روشهای خطی قابل دستیابی و مشاهده نیست و از نظر پنهان می‌ماند را هر چند همراه خطا و دارای تقریب، نمایان می کند با چنین اطلاعاتی دقت و میزان صحت تصمیم گیری مهندس و یا محقق جهت اقدامات بعدی افزایش می یابد از جمله موارد کلی استفاده از نتایج تحلیل پوش آور می توان به تهیه منحنی ظرفیت سازه (برش پایه در مقابل تغییر مکان بام) در مقابل بار جانبی اعمال شده تخمین تغییر مکان نسبی طبقات، برآورد میزان چرخش مفاصل پلاستیک ایجاد شده، تخمین تغییر مکان جانبی سازه و هرگونه پاسخ سازه نسبت به حرکات زمین و بار جانبی که جهت بررسی رفتار لرزه ای سازه بدان نیاز داریم اشاره نمود.
نتایج قابل مشاهده و دریافت از آنالیز استاتیکی غیر خطی که توسط کراوینکلر و سنویراتنا (1988) ارائه شده به قرار زیر است .
1- برآورد نیروهای واقعی در اعضای ترد و غیر شکل پذیر از قبیل نیروی محوری در ستونها و لنگر ایجاد شده در اتصالات تیر به ستون و برش در اعضای کوتاه که رفتار برشی در آنها حاکم است.
2- تخمین تغییر شکل مورد نیاز اجزاء سازه که جهت اتلاف انرژی ناشی از زلزله باید در ناحیه غیر ارتجاعی تحمل نمایند.
3- اثرات کاهش مقاومت اجزای خاص بر پایداری سازه.
4- تعیین محل های بحرانی در سازه مانند مکانهایی که دچار تغییر شکل های زیاد می شوند.
5- تعیین نامنظمی های در پلان یا ارتفاع که باعث تغییر در مشخصات دینامیکی سازه در ناحیه غیر ارتجاعی می گردند.
6- تخمین تغییر مکانهای داخلی طبقات با در نظر گیری ناپیوستگی سختی و مقاومت (مانند طبقه نرم) و جلوگیری از این نوع خرابی ها در سازه.
7- ترتیب جاری شدن و شکست اعضاء و بررسی پیشرفت منحنی ظرفیت سازه.
8- بررسی کفایت مسیر بار با در نظر گیری تمام اجزاء سازه ای و غیر سازه ای سیستم به عبارت دیگر بررسی کفایت مسیر انتقال بار جانبی با توجه به ترکیب هندسی موجود سازه.
9- پارامترهای رفتار لرزه ای سازه (مثل شکل پذیری، ضریب رفتار، ...)
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم
منحنی ظرفیت سازه به عنوان نموداری که محورافقی آن تغییرمکان افقی نقطه کنترل سازه می باشدومحورقائم آن برش پایه اعمالی بهسازهاست،ازتحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی حاصل میشود. نمونهای از منحنی ظرفیت سازه در شکل (1-2) نشان داده شده است.تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی سازهبا استفاده از نرمافزارهایینظیر ETABS،SAP2000 و .. .به راحتی قابل انجام است.
نامهای انجام یک تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی به صورت زیرفهرست میشود.

شکل(1-2): منحنی پوش آور[10].
1- ایجادیک مدل ریاضی از سازه.
2-اعمال بارجانبی به سازه،پس ازتعیین الگوی بارگذاری جانبی.
3-افزایش بارجانبی اعمالی به سازه تاجاییکه بعضی ازاعضای سازه به حدتسلیم برسند.
4-ثبت برش پایه اعمالی درآن مرحله وتعیین تغییرمکان نقطه کنترل برای کنترل رفتار و استفاده درمراحل بعد،ثبت نیروهای سایراعضا نیزلازم است.
5-بازسازی مدل با فرض سختی جانبی صفر برای اعضای جاری شده سازه.
6-افزایش بارجانبی بهسازه تاجاییکه عضوهای دیگری ازسازه جاری شوند.
7-ثبت برش پایه وتغییرمکان نقطه کنترل.
8- روند 3 تا 7 تاجائی تکرارمیشوندتا اینکه سازه یا براثرعواملی مانند ناپایدار شود و یا اینکه به تغییر مکان مشخص ازپیش تعیین شدهای برسد.
9-رسم برش پایه بدست آمده درمراحل مختلف درمقابل تغییرمکان نقطه کنترل سازه.
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی
در آنالیز استاتیکی فزاینده غیر خطی سه مطلب اساسی باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از مشخصات غیر خطی اجزاء، الگوی بارگذاری جانبی و تعیین تغییر مکان هدف. عدم شناخت کافی نسبت به موارد مذکور باعث ایجاد خطا در نتایج و تشدید آن در مراحل بعدی خواهد شد .
استفاده از الگوی بارگذاری متناسب با واقعیت، مدلسازی دقیق رفتار غیر خطی اجزاء سازه و تعیین تغییر مکان هدف صحیح، منجر به کسب نتایج با دقت بیشتر و تخمین مناسب نیازهای لرزه ای در آنالیز سازه خواهد شد. در ادامه به آنها پرداخته می شود.
1-4- پوش آور مودی
استفاده از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی درتخمین عملکردسازههادرهنگام زلزله بسیار مورد توجه متخصصین قرارگرفته است. از فرضیات این روش این است که، رفتارسازه توسط موداول کنترل می گردد وشکل این مود درتمامی مدت تحلیل ثابت می ماند،که هر دوی این فرضیات غلط می باشند.امانتایج نشان دهندهتقریب مناسب اینروش می باشد. درجهت بهبود هرچه بیشترروش تحلیل استاتیکی فرایندهغیرخطی، روش تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی مودی(MPA) باتوجه به اصول دینامیک سازههاارائه شده است که امکان در نظرگیری تمامی مودهای مؤثردرپاسخ سازه رابه کاربرمی دهد.
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی
با محاسبه سختی لحظه ای اعضاء و در نتیجه ماتریس سختی کل در هر گام از آنالیز در هنگام اعمال بار جانبی به سازه، شاهد کاهش سختی سازه خواهیم بود. این موضوع نه تنها باعث تغییر پاسخ سازه به حرکات زمین می گردد، بلکه همچنین باعث تغییر توزیع نیروهای اینرسی در ارتفاع سازه خواهد شد. برای تحقق این فرضیات باید از آنالیز پوش آور تطبیقی استفاده گردد و همچنین در هرگام با توجه به کاهش سختی المانهای سازه باید الگوی بارگذاری اصطلاحاً به هنگام گردد. همانطور که در قسمت نواقص و معایب آنالیز پوش آور متداول بیان گردید، تغییرات فوق در خلال آنالیز منظور نمی گردد و الگوی بارگذاری با یک توزیع ثابت به سازه وارد می شود و این یک منبع خطای مهم در ارزیابی لرزه ای سازه محسوب می گردد. اساس روش پوش آور تطبیقی به دو گونه انجام می شود؛ پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو و مبتنی بر جابجایی.
1-6- نتیجه گیری
در این فصل با توجه به نتایج مشاهده شده توسط روش های تحلیل پوش آور به هنگام شونده و مقایسه روش پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو با نتایج آنالیز دینامیکی غیر خطی و پوش آورهای متداول، طبق نتایج بدست آمده از این روش در سازه های کوتاه به علت تاثیر کمتر اثر مود های بالاتر می توان گفت نتایج این آنالیز معتبر است ولی مطابق با بررسی های که توسط پاپینکولار و النشای در سال 2006 انجام داده اند و ثابت نمودند به دلیل اینکه در روش FAP به علت استفاده از قوانین ترکیب مودال درجه دوم مثل SRSS تغیر علامت نیرو های مودال در طبقات مختلف مود های بالا تر از بین رفته و علامت مولفه های بردار الگوی بار اعمالی در تمام طبقات یکسان است، می توان گفت نتایج تحلیلیFAP در سازه های بلند که اثر مود های بالاتر تاثیر گذاری بیشتری دارند، نه تنها بهبودی در نتایج حاصل نکرده است، بلکه نتایج به سمت مسیر گمراه کننده پیش می رود. در مقابل، نتایج بدست آمده از آنالیز پوش آور تطبیقی بر اساس جابجایی در سازه های بلند دارای نتایج قابل قبول تری نسبت به آنالیز مبتنی بر نیرو و پوش آورهای دیگر می باشد.
فصل دوم
« بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
آیین نامه های طراحی لرزه ای، نیرو های لرزه ای برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست میآورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ارتجاعی و اتلاف انرژی بر اثر رفتار هیسترتیک ، میرائی و اثر مقاومت افزون سازه، این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نماید. در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل محققین روش های تئوریکی جهت محاسبه ضریب رفنار ارائه نموده اند که در این فصل به طور کامل تشریح گردیده است.
2-1- مقدمه
به طور کلی می توان گفت طراحی سازه ها بر اساس آنالیز های لرزه ای بر این مبناء است که رفتار ساختمان در مقابل نیرو های ناشی از زلزله های کوچک، بدون خسارت در محدوده ارتجاعی باقی بماند و در هنگام وقوع زلزله های شدید که رفتار سازه وارد ناحیه غیر خطی می شود ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارتهای سازه ای و غیر سازه ای را تحمل کند، به همین منظور طراحی لرزه ای سازه در هنگام ورود به ناحیه غیر خطی مستلزم آنالیز های غیر خطی می باشد.
می توان گفت یک تحلیل دینامیکی غیر خطی بیانگر رفتار صحیح و واقعی سازه به هنگام وقوع زلزله می باشد امّا با توجه به پیچیده بودن و پر هزینه بودن آنالیز های غیر خطی و زمان بر بودن این نوع تحلیل ها، روشهای تحلیلی بر مبناء آنالیز در محدوده رفتار خطی سازه با نیروی کاهش یافته زلزله صورت می گیرد.
از طرفی تحلیل و طراحی سازه ها صرفا بر اساس رفتار ارتجاعی اعضاء و عدم توجه به رفتار غیر خطی در هنگام وقوع زلزله باعث ایجاد شدن طرحی غیر اقتصادی که شامل مقاطع سنگین برای طرح خواهد بود می شود.
از اینرو آیین نامه های لرزه ای، نیرو های برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست می آورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ازتجاعی و اتلاف انرژی بز اثر رفتار هیسترتیک، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نمایند.
با توجه به اینکه ضرائب رفتار تعین شده توسط آیین نامه های لرزه ای بر پایه مشاهدات عملکردی سیستم های سازه ای مختلف در زلزله های اتفاق افتاده و بر اساس قضاوت مهندسی استوار است در جهت رفع نگرانی پژوهشگران بابت فقدان ضرائب رفتار معقول و مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در سالهای اخیر آیین نامه ها لرزه ای بر این اساس مدون گردیده اند که رفتار های هیستر تیک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت سازه در هنگام استهلاک انرژی را جهت محاسبه ضریب رفتار در نظر بگیرند.
در این فصل به طور کلی تمام اجزاء ضریب رفتار شرح داده می شود.
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار
در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد. به همین دلیل مقادیر عددی ضرائب رفتار به کار برده در آیین نامه ها مختلف متفاوت می باشد به طوری که می توان گفت محدوده عددی ضریب رفتار برای سازه های بتن مسلح با سیستم قاب خمشی در آیین نامه های اروپایی مانند EC8 بین عدد های 5/1 تا 5 است در صورتیکه برای همین نوع سیستم سازه ای در آیین نامه های آمریکایی مقادیر ضریب رفتار تا عدد 8 هم بیان گردیده است، از اینرو می توان گفت سازه هایی که مطابق آیین نامه های EC8 طراحی شده اند دارای طراحی های سنگین تری نسبت به طراحی های که مطابق آیین نامه های آمریکایی انجام گرفته است می باشند. اگر به طور خاص آیین نامه طراحی لرزه ای ایران را مورد مطالعه قرار دهیم، می توان گفت به دلیل آنکه ضرائب رفتار تعین شده بر مبناء قضاوت مهندسی است دارای کاستی هایی به شرح زیر می باشد:
1- برای سیستم های سازه ای، از یک نوع با ارتفاع ها و زمان تناوب ارتعاش متفاوت از ضرائب رفتار یکسانی استفاده میشود.
2- در R تاثیر شکل پذیری و مقاومت افزون و درجه نامعینی به صراحت نیامده است.
3- اثر لرزه خیزی منطقه در Rلحاظ نشده است.
4- اثر شرائط خاک در R لحاظ نشده است.
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار
همانطور که از پیش ذکر شد روشهای سنتی چگونگی محاسبه ضریب رفتار برای سیستم های سازه ای بر اساس قضاوت مهندسی انجام می شده است، در طی سالهای اخیر روشهای علمی قابل اعتماد و جدیدی توسط تحقیقات نیومارک ارائه گردیده است.
می توان گفت جدید ترین رابطه های ارائه شده برای ضریب رفتار رابطه ای است که سه عامل شکل پذیری، مقاومت افزون و در جه نامعینی را در بر دارد. دو عامل شکل شکل پذیری و مقاومت افزون برای کشور های مختلف می تواند متفاوت می باشد، زیرا به متغیر های کیفی و کمی متعددی مانند فرهنگ ساخت و ساز و روشهای اجرائی، ناحیه لرزه خیزی و آیین نامه بارگذاری و طراحی بستگی دارد.
از اوائل دهه 1980 در انجمن فن آوری کاربردی (ATC) در طی پژوهشهای فریمن و یوانگ تلاش محققین به سمت تجزیه ضریب رفتار به عوامل تشکیل دهنده آن سوق پیدا نمود.
قابل توجه است که عامل نامعینی ابتدا در آیین نامه های ATC-19 و ATC-40 و سپس در آیین نامه UBC-1997 مطرح گردید.
در سال 1995 محققین برای محاسبه ضریب رفتار رابطه (2-1) را پیش نهاد نمودند.
(2-1)
که در رابطه فوق ضریب کاهش نیرو ناشی از مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو ناشی از شکل پذیری و کاهش نیرو ناشی از نامعینی یا به عبارت دیگر ضریب درجه نامعینی سازه می باشد.
به طور کلی تقسیم بندی که در مورد روشهای محاسبه ضریب رفتار می توان گفت به صورت زیر می باشد:
1- روش های آمریکایی
2- روشهای اروپایی
در طی مطالعات پزوهشگران گذشته روشهای آمریکایی نسبت به روشها اروپایی از ابتکار عمل ساده تری برخوردار بوده اند، به همین جهت در این رساله برای به دست آوردن نتایج ضریب رفتار صرفا" از روش های آمریکایی استفاده گردیده است.
2-3-1- روشهای آمریکایی
از بین روشهای آمریکایی دو روش طیف ظرفیت فریمن و روش یوانگ معتبر تر می باشند از اینرو در ادامه به صورت جزئی به شرح کامل این دو روش می پردازیم.
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن
در سال 1990 فریمن یک روش تحلیلی جهت محاسبه ضریب رفتار تحت تاثیر پارامتر هایی مطابق با رابطه زیر ارائه نموده است.
(2-2)
به طور کلی هر کدام از پارامتر های رابطه فوق به عوامی زیر وابسته می باشد.
1- سیستم سازه ای
2- آرایش قابها
3- ترکیب بار ها
4- درجه نامعینی
5- میرایی سازه
6- ویژیگی های رفتار غیر خطی سازه
7- خصوصیات مصالح
8- نسبت ابعاد ساختمان
9- چگونگی مکانیزم خرابی و عوامل دیگر.
با توجه به گستردگی دامنه تاثیر گذاری عوامل مختلف بر پارمتر های اجزاء ضریب رفتار به ندرت می توان گفت که دو سازه ضریب رفتار یکسانی خواهند داشت.
در ادامه تحقیقات از بین عوامل تاثیر گذار بر ضریب رفتار یک سازه دو عامل ظرفیت سازه و نیرو های ناشی از زلزه را می توان از عوامل اصلی نام برد، که فریمن تمام عوامل فوق را به دو عامل اصلی ظرفیت افزایش یافته سازه و احتیاجات لرزه ای بسط داده است.
در این روش ظرفیت افزایش یافته به اصطلاح مقاومت افزون نام دارد و با نمایش داده می شود. ضریب مقاومت افزون را می توان از یک تحلیل استاتیکی غیر خطی با رسم منحنی ظرفیت سازه (برش پایه- تغیر مکان نقطه بام) از نسبت ضریب برش تسلیم کلی سازه به ضریب برش پایه متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه به دست آورد. عوامل موثری که در محاسبه این ضریب نقش دارند به شرح زیر می باشند.
1- ضرائب بار و ضرائب کاهش مقاومت مصالح
2- طراحی دست بالای اعضاء
3- سختی کرنشی
4- نامعینی سازه
5- شکل پذیری سازه
احتیاجات لرزه ای یا به عبارت دیگر ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیری که با نمایش داده می شود، می توان گفت از رفتار غیر خطی سازه که منجر به میرایی و استهلاک انرژی می شود، به وجود آمده است. فریمن جهت محاسبه ضریب کاهش نیرو روش زیر را ارائه گردیده است:
در هنگام وقوع زلزله هر چه رفتار سازه از حد ارتجاعی فراتر رود سختی آن کاهش یافته و میرایی افزایش می یابد، در واقع در هنگام زلزله با ایجاد مفاصل پلاستیک در اعضاء سازه، سازه شکل پذیر تر می شود و به تبع افزایش شکل پذیری زمان پریود ارتعاشی سازه و همچنین میرایی سازه افزایش پیدا خواهد کرد و در نتیجه ی تمام این فرایند ها، کاهش نیرو های وارد بر سازه را خواهیم داشت.
در صورتیکه زمان پریود اولیه سازه که می تواند زمان پریود محاسباتی یا زمان پریود به دست آمده از آیین نامه باشد را بنامیم و زمان پریود ناشی از تغیر سختی که سازه وارد مرحله غیر خطی شده است را بنامیم، مقدار از نسبت مقدار نیروی مورد نیاز برای سازه با طیف ظرفیت 5% میرایی با زمان پریود ارتعاش اولیه به مقدار نیروی مورد نیاز در میرایی غیر خطی 20% سازه به دست خواهد آمد.
طبق مطالب فوق توسط روش فریمن ضریب رفتار از رابطه (2-3) محاسبه خواهد شد.
(2-3)
که در رابطه فوق ضریب مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو می باشد.
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ
در سال 1991 توسط محقق آمریکایی یوانگ با استفاده از نمودار منحنی ظرفیت سازه برای محاسبه ضریب رفتار رابطه ای به صورت زیر معرفی نمود.
(2-4)
که در رابطه (2-4) کاهش نیرو در اثر شکل پذیری سازه که تسبت به و ضریب مقاومت افزون می باشد، در ادمه پارامتر های معرفی شده را به طور کامل تشریح می نماییم.
می توان با در نظر گرفتن رفتار کلی یک سازه متعارف طبق شکل(2-1) مقدار مقاومت ارتجاعی مورد نیاز، در صورتیکه سازه کلا" در محدوده ارتجاعی باقی بماند پارامتر تعریف کنیم.

شکل (2-1): نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف
به طور کلی می توان گفت طراحی صحیح سازه منجر به شکل پذیر تر شدن سازه خواهد شد، در این وضعیت سازه می تواند به حداکثر مقاومت خود که با پارامتر معرفی می شود، برسد. در نتیجه می توان گفت هرچه از مقاومت حداکثر اعضاء در هنگام آنالیز های لرزه ای استفاده شود طرحی بهینه تر حادث می شود.
در شکل(2-1) حداکثر تغیر شکل نسبی ایجاد شده در طبقه می باشد که می توان گفت محاسبه مقدار با مقاومت حد خمیری سازه یا مقاومت نهایی به هنگام ایجاد مکانیزم گسیختگی متناظر بوده و احتیاج به تحلیل غیر خطی دارد به همین علت برای مقدار به صورت مستقیم رابطه ای مشخص نگردیده است از اینرو جهت مقاصد طراحی در برخی از آیین نامه ها مقدار را به مقدار کاهش می دهند.
نمایشگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در کل سازه می باشد و مقدار آن ترازی است که در آن پاسخ کلی سازه به گونه قابل توجهی از محدوده ارتجاعی سازه خارج شده است.
اختلاف مقدار نیرو های و را اصطلاحا مقاومت افزون () تعریف می نمایند، طبق رابطه (2-5).
(2-5)
لازم به ذکر است به علّت اینکه در بعضی از آیین نامه های طراحی بتنی یا فولادی از روشهای بار مجاز استفاده می نمایند، از اینرو آیین نامه های طراحی لرزه ای مانند آیین نامه های 2800 ایران، UBC-1994 و SEAOC-1988 مقدار را به کاهش می دهد. نسبت ضریب رفتار به دست آمده در آیین نامه های UBC-1994 و SEAOC-1988 (که با نمایش داده می شود) و 2800 ایران (که با R نمایش داده می شود) به ضریب رفتار به دست آمده در مقررات UBC-1997 یا NEHRP-2000 حدودا" عددی بین 4/1 تا 5/1 می باشد.
مزیت استفاده روش فوق این است که طراح، تنها یک تحلیل ارتجاعی انجام میدهد و سپس با استفاده از آیین نامه های جاری، ابعاد المانهای سازه ای را تعین مینماید.
طی تحقیقات به عمل آمده به علّت استفاده ازبه جای دو مشکل ایجاد می شود که عبارتند از:
1- محاسب قادر نخواهد بود مقاومت سازه را تعیین کند، لذا در صورتی که مقدار مقاومتی که به صورت ضمنی در آیین نامه های زلزله برای مقدار ضریب کاهش فرض شده است (مقاومت افزون) تامین نشود، رفتار سازه در زلزله های شدید رضایت بخش نخواهد بود.
2- مقادیر تغیر مکانهای غیر ارتجاعی را نمی توان باتحلیل ارتجاعی خطی محاسبه نمود که آیین نامه ها معمولا" از ضرائب تشدید تغیر مکانهای ارتجاعی () استفاده می نمایند.
محاسبه رابطه (2-4) در بعضی از آیین نامه ها مثل UBC-1997 ، IBC-2000 ، NEHRP-2000 مطابق با تنش های در حالت حد نهایی است ولی مطابق بعضی از آئین نامه هایی چون 2800 ایران، UBC-1988 یا UBC-1994 و.... باید ضریبی به نام Y برای طراحی بر اساس تنش های مجاز در رابطه (2-4) ضرب شود.
ضریب Y بر اساس برخورد آیین نامه های مصالح با تنش های طراحی (بار مجاز یا بار نهایی) تعین می شود و مقدار آن نسبت نیرو در هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک () به نیروی پایه سازه دز هنگام ایجاد تنش های مجاز () می باشد.
(2-6)
طبق نتایج به دست آمده ضریب Y در محدوده 1.4تا 1.5 می باشد و برای مثال نتایج آیین نامه AISC-ASD1989 مطابق رابطه (2-7) برابر با1.44 می باشد.
(2-7)
در رابطه (2-7): Z مدول خمیری و S مدول ارتجاعی می باشد و اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیرو های زلزله است. می توان گفت مقدار 4/1 برای در نظر گرفتن ضریب بار مرده در آیین نامه بتن ACI-318 مشابه ضریب Y در رابطه (2-7) می باشد.
طبق پارامتر های تعریف شده فوق رابطه (2-8) برای محاسبه ضریب رفتار توسط روش یوانگ معرفی گردیده است.
(2-8)
2-3-2- روشهای اروپایی
در سالهای اخیر، پژوهشگران اروپایی نیز همگام با محققان آمریکایی به تحقیق در مورد برآورد ضرایب رفتار سازهها پرداخته اند. عمدتاً روشهایی که توسط اروپاییها مورد استفاده قرار گرفته به دو گروه تقسیم می شود: روشهای متکی بر تئوری شکل پذیری و روشهای انرژی. در ادامه این روشها به اختصار معرفی می شوند.
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری
این روش که بر مبنای تئوری شکل پذیری استوار است اولین بار توسط کاسنزا و همکاران در سال 1986 معرفی شده است. در این روش، ضریب رفتار () با توجه به شکل (2-2)، از رابطه (2-9) بدست می آید:
(2-9)
در رابطه (2-9): : ضریب ارتجاعی بحرانی برای بارهای قائم و : پارامتر وابسته به زمان تناوب ارتعاش سازه است و از رابطه (2-10) بدست می آید:
(2-10)
با توجه به دو رابطه اخیر میتوان را از رابطه (2-11) بدست آورد:
(2-11)
جهت تکمیل روش فوق، در سال 1996، مازولانی با استفاده از نتایج حاصل از پاسخ سیستمهای یک درجه آزاد، رابطه (2-12) را برای پیشنهاد کرده است.
(2-12)
از این رو برای زمانهای تناوب بزرگتر از ثانیه، دارای مقدار ثابت و برای یک تابع خطی از زمان تناوب است.

شکل (2-2): مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد [25]
2-3-2-2- روش انرژی
روش انرژی بر این فرض استوار است که حداکثر انرژی جنبشی ناشی از یک زلزله شدید با حداکثر انرژی که یک سازه قادر است جذب نماید، برابر است. معادله تعادل انرژی در یک سازه بصورت رابطه (2-13) است.
(2-13)
در رابطه (2-13): : حداکثر انرژی جنبشی قابل جذب و استهلاک در سازه، : انرژی ذخیره شده در سازه در مرحله تغییر شکل ارتجاعی، : انرژی ذخیره شده طی تغییر شکلهای غیرارتجاعی در سازه و کار انجام شده توسط نیروهای قائم در کل روند تغییر شکل سازه می باشد.
اگر طیف پاسخ شتاب زمین، در زلزله طراحی و انرژی جنبشی ناشی از آن نامیده شود، معمولاً می توان با اعمال یک ضریب آن را به شدیدترین زلزله طراحی، مرتبط کرد. با توجه به این موضوع، انرژی جنبشی ناشی از این زلزله مخرب که با استفاده از حداکثر شبه سرعت برآورده شده از طیف مشخص می گردد، توسط رابطه (2-14) به مرتبط می شود:
(2-14)
در نتیجه بنابر اصل تعادل انرژی ها، لازم است رابطه (2-15) برقرار باشد:
(2-15)
روشهای تحلیلی مفصل و پیچیده ای برای حل معادله فوق و استخراج ضرایب رفتار از آن وجود دارد که معروفترین آنها توسط کومو و لانی ارائه شده است. در اینجا به دلیل پیچیده و وقت گیر بودن این روشها از ذکر جزئیات آنها پرهیز می شود.
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار
2-4-1- شکل پذیری
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه
در صورتیکه منحنی رفتار کلی سازه را اصطلاحا" به صورت منحنی الاستیک – پلاستیک (دو خطی) ایده آل نمائیم، طبق رابطه (2-16) ضریب شکل پذیری کلی سازه که با نمایش داده میشود محاسبه میشود:
(2-16)
بهتر است مقدار ضریب شکل پذیری کلی سازه ، که نماینگر ظرفیت استهلاک انرژی اجزا یا کل سازه است، از روشهای آزمایشگاهی تعیین نمود. رفتار کلی سازه که در شکل (2-1) نشان داده شده است، تنها مربوط به سیستم هایی است که می توانند انرژی را با یک رفتار پایدار مستهلک کنند، مانند قابهای مقاوم خمشی شکل پذیر ویژه، و برای سیستم های دیگر که کاهش شدید سختی و مقاومت دارند، تعریف تغییر مکان تسلیم و تغییر مکان حداکثر در رابطه (2-16) می تواند نادرست باشد. می توان گفت تعیین ضریب QUOTEμs به خصوص برای سازه های بلندتر از یک طبقه کار پیچیده ای است. برای محاسبه این ضریب غالباً از تغییر مکان نسبی طبقه به عنوان معیار تغییر مکان استفاده می‎شود (شکل 2-1).
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری
سازه ها توسط رفتار شکل پذیر مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را با رفتار هیسترتیک مستهلک می‎کنند، که مقدار این استهلاک انرژی، بستگی به مقدار شکل پذیری کلی سازه دارد. مقدار شکل پذیری کلی سازه نباید از شکل پذیری المانهای سازه فراتر رود. بدین منظور، هنگام طراحی لازم است حداقل مقاومت لازم سازه که شکل پذیری کلی آن را به حد شکل پذیری مشخص شده از قبل، محدود می‎کند، مشخص شود .
همان گونه که در قسمتهای قبل، توضیح داده شد، ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری (QUOTERμ ) طبق رابطه (2-17)، با نسبت مقاومت ارتجاعی مورد نیاز به مقاومت غیر ارتجاعی مورد نیاز تعریف می شود.
(2-17)
که در این رابطهQUOTEFy مقاومت جانبی مورد نیاز، برای جلوگیری از تسلیم سیستم بر اثر یک زلزله مشخص و مقاومت جانبی تسلیم مورد نیاز برای محدود کردن ضریب شکل پذیری کلی سازه به مقداری کمتر و یا برابر با ضریب شکل پذیری کلی از پیش تعیین شده (هدف یا QUOTEμi) وقتی که سیستم در معرض همان زلزله قرار گیرد، می باشد. به طور کلی، در سازه هایی که در هنگام وقوع زلزله رفتار غیر ارتجاعی دارند، تغییر شکلهای غیر ارتجاعی با کاهش مقاومت جانبی تسلیم سازه (یا با افزایش ضریب )، افزایش مییابند.
برای یک زلزله مشخص و یک ضریب معین، مشکل اساسی محاسبه حداقل ظرفیت مقاومت جانبی است که باید در سازه به منظور جلوگیری از به وجود آمدن نیازهای شکل پذیری بزرگتر از QUOTEμi، تأمین گردد. در نتیجه محاسبه برای هر زمان تناوب و هر شکل پذیری هدف، شامل عملیاتی تکراری است. بدین صورت که، مقاومت جانبی تسلیم () برای سیستم در نظرگرفته و سیستم تحلیل می‎شود، این ‎کار، تا زمانی ادامه می یابد که ضریب شکل پذیری کلی محاسبه شده ()با یک تولرانس مشخص، برابر ضریب شکل پذیری کلی هدف گردد و آنگاه مقاومت جانبی متناظر با این ضریب شکل پذیری، QUOTE μ=μiنامیده می‎شود.
برای تعیین ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری، روش کار بدین صورت است که مقاومت جانبی ارتجاعی QUOTE μ=μi و غیر ارتجاعی QUOTEμ=که برای یک سیستم با زمان تناوب مشخص به دست آمده، این مقادیر به وزن سیستم، نرمال می‎شوند. این نیرو ها برای زمانهای تناوب مختلف سازه به دست می آید و با توجه به آن، طیف خطی و طیف غیر خطی با ضریب شکل پذیری محاسبه می‎شود. از از تقسیم طیف خطی به طیف غیر خطی، مقدار ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری برای آن زلزله بخصوص و ضریب شکل پذیری هدف، به دست می آید (شکل 2-3 )

شکل (2-3): طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت
یافتن رابطه بین وQUOTERμو μs برای سیستم های یک درجه آزادی موضوع پژوهشهای فراوانی در سالهای اخیر بوده است. از جمله کسانی که در این مورد تحقیق کرده اند، عبارتند از: کراوینکلرو نصر، میراندو و برترو، نیومارک و هال، لای و بیگز، ریدل و نیومارک، القادمسی و محرز، ریدل، هیدالگو و کروز، آریاس و هیدالگو، تسو و نائوموسکی، ویدیک، فایفر و فیشینگر، فیشینگر و فایفر، تسنیمی و محمودی، لی، هان و اوه، ال سلیمانی و روست، پنگ و همکاران و نهایتاً تاکدا و همکاران.
2-4-2- مقاومت افزون
هنگامی که یکی از اعضای سازه به حد تسلیم رسیده و اصطلاحاً در آن لولای خمیری تشکیل شود، مقاومت سازه از دیدگاه طراحی در حالت بهره برداری به پایان می رسد، ولی در حالت طراحی انهدام، پدیده فوق به عنوان پایان مقاومت سازه به حساب نمی آید، زیرا عضو مورد نظر همچنان می تواند با تغییر شکل غیر ارتجاعی، انرژی ورودی را جذب کند تا به مرحله گسیختگی و انهدام برسد. با تشکیل لولاهای خمیری، به تدریج سختی سازه با کاهش درجه نامعینی استاتیکی کاهش می یابد، و لی سازه همچنان پایدار است و قادر خواهد بود در مقابل نیروهای خارجی از خود مقاومت نشان دهد. وقتی که نیروی خارجی باز هم افزایش یابد، روند تشکیل لولاهای خمیری نیز ادامه یافته و لولاهای بیشتری در سازه پدید می آید تا جایی که سازه از نظر استاتیکی ناپایدار شده و دیگر توان تحمل بار جانبی اضافی را نداشته باشد.
مقاومتی که سازه بعد از تشکیل اولین لولای خمیری تا مرحله مکانیزم (ناپایداری) از خود بروز می دهد، مقاوت افزون نامیده می شود، در طراحی لرزه ای سازه ها مقاومت ارتجاعی مورد نیاز سازه را متناسب با مقاومت افزون آنها کاهش می دهند. برای این منظور، مقدار ضریب رفتار سازه ها متناسب با مقاومت افزون افزایش داده می شود تا مقاومت مورد نیاز کاهش یافته، محاسبه گردد.
سالهاست که پژوهشگران اهمیت مقاومت افزون را در جلوگیری از خراب شدن برخی سازه ها به هنگام رخداد زلزله های شدید شناخته اند. برای مثال، در زلزله سال 1985 مکزیک، وجود مقاومت افزون عامل بسیار مؤثری در جلوگیری از خرابی برخی ساختمانها بوده است. همچنین زلزله سال 1369 (ه.ش) رودبار و منجیل بسیاری از ساختمانهای 7-8 طبقه در شهر رشت که دارای اتصالات خُرجینی و شکل پذیری ناچیز بودند، بر اثر وجود مقاومت افزون (که عمدتاً به دلیل وجود عناصر غیر سازه ای، پارتیشن ها و نما ایجاد شده بود) از فرو ریختن کامل جان سالم به در بردند.
در مطالعات انجام شده بر روی میز لرزان برای ساختمانهای چند طبقه بتن مسلح و فولادی به وسیله پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در برکلی در سالهای 1984 تا 1989 نیز بر اهمیت ضریب مقاومت افزون تأکید شده است.
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون
مقاومت افزون یک سازه در واقع مقدار مقاومتی است که بر اثر عوامل مختلف در سازه ذخیره شده و انهدام سازه را به تأخیر می اندازد. ذیلاً به پاره ای از عوامل مؤثر در مقاومت افزون اشاره می شود.
1- بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح از مقاومت اسمی آنها
2- بزرگتر بودن ابعاد اعضا و مقادیر میلگرد از مقادیر مورد نیاز در طراحی
3- استفاده از مدلهای ریاضی ساده شده و محافظه کارانه در تحلیل ها
4- ترکیب های مختلف بار
5- مقاومت اعضای غیر سازه ای(نظیر دیوارهای میانقاب) و اعضای سازه ای (نظیر دالها) که در برآورده ظرفیت مقاومت جانبی به حساب نمی آیند.
6- افزایش مقاومت ناشی از محصور شدگی بتن
7- رعایت حداقل الزامات آیین نامه های طراحی در مورد محدود کردن تغییر مکانهای جانبی، تغییر شکلهای اعضاء، ابعاد مقاطع، عناصر تسلیح و فاصله خاموتها
8- استفاده از روش معادل استاتیکی در تحلیل لرزه ای سازه ها
9- باز توزیع نیروهای داخلی در محدوده غیر ارتجاعی بر اثر نامعینی سازه
10- صرف نظر از اثر بعد سوم در تحلیل های دو بعدی
11- افزایش مقاومت اعضای بتنی بر اثر سرعت بارگذاری (اثر نرخ کرنش)
12- نوع سیستم سازه ای
13- هندسه سازه و آرایش پلان
14- ارتفاع سازه (زمان تناوب ارتعاش)
15- آیین نامه طراحی
16- لرزه خیزی منطقه (نسبت بارهای جانبی به بارهای قائم)
17- ملاحظات معماری
18- سطح فرهنگ و تکنولوژی ساخت
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون
به دست آوردن مقادیر مقاومت افزون با در نظر گرفتن سهم تمام عوامل یاد شده، بسیار پیچیده بوده و نمی تواند در طراحی سازه ای، قابل اعتماد باشد. از این رو لازم است پاره ای از عوامل کیفی ثابت در نظر گرفته شود و عوامل کمی نیز دسته بندی شده و به عوامل مهم تر توجه گردد، سهم سایر عوامل نیز در ظرفیت سازه لحاظ شود.
برای تعیین مقدار ضریب مقاومت افزون می توان علاوه بر روشهای آزمایشگاهی، از روشهای تحلیلی نیز استفاده نمود. بدین منظور می توان از روشهای تحلیل استاتیکی غیر خطی(مانند روش تحلیل پوش آور، یا روش طیف ظرفیت)، استفاده کرد.
برای تعیین مقاومت افزون یک سازه، به این صورت عمل می شود که نیروهای ثقلی بر سازه اعمال شده و مقدار نیروی جانبی سازه با یک الگوی خاص (مثلاً الگوی مثلثی آیین نامه) به طور یکنواخت افزایش داده می شود و مقادیر برش پایه و تغییر مکان بام به طور مداوم ثبت می گردد. این عمل تا آنجا که اولین عضو سازه، جاری شده و در آن لولای خمیری به وجود آید، ادامه می یابد. افزایش نیرو بعد از این مرحله باعث باز توزیع نیروها در بقیه اعضا شده و سازه قادر به تحمل نیروی جانبی بیشتر می شود. نیروی جانبی مجدداً افزایش داده می شود تا در بقیه اعضا نیز لولای خمیری تشکیل شود و در صورتی تحلیل متوقف می گردد که سازه ناپایدار (مکانیزم) شود یا شکل پذیری محلی یکی از اعضا از حد مجاز تجاوز نماید(عضو گسیخته شود)، یا معیارهای تعریف شده دیگری حاکم گردد. در این حالت، از تقسیم حداکثر نیروی جانبی تحمل شده توسط سازه به نیروی حد جاری شدن اولین عضو در سازه (تشکیل اولین لولای خمیری)، ضریب مقاومت افزون به دست می آید (شکل 2-1 ).
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها
مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000، در یکی از ترکیبهای بار ویژه خود از ضریب مقاومت افزون استفاده میکند. در این مورد قید شده است که هرگاه در این مقررات تصریح شود که نیروهای طراحی لرزهای در اجزای سازه به آثار مقاومت افزون سازه حساس هستند، باید ترکیب بار به شرح رابطه های (2-18) و (2-19) به ترتیب برای حالتهایی که این آثار افزاینده یا کاهنده آثار، مورد استفاده قرار گیرد.
(2-18)
(2-19)
در رابطه های (2-18) و (2-19):
: اثر نیروهای افقی و قائم زلزله،: شتاب طیفی طراحی در زمانهای تناوب کوتاه که از مقررات NEHRP محاسبه میشود،: اثر بارهای مرده،: اثر نیروهای افقی زلزله و: ضریب مقاومت افزون سیستم است. همچنین جمله در رابطههای فوق، لازم نیست که از حداکثر نیروی به وجود آمده در عضو تحت تحلیل خمیری یا پاسخ غیر خطی، بیشتر باشد. ضمناً استفاده از این ترکیبات بار ویژه برای طراحی اجزای سازهای در گروه لرزهای A، لازم نمیباشد.
آیین نامه UBC-1997، در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را وارد کرده است. این ترکیب بار که در هر یک از جهت های افقی بارگذاری لرزهای باید اعمال شود، بصورت رابطه (2-20) است :
(2-20)
در رابطه (2-32): برابر حداکثر نیروی زلزله برآورد شده که در سازه به وجود خواهد آمد، ضریب افزایش نیروی زلزله ناشی از اثر مقاومت افزون و بار زلزله به واسطه برش پایه V است.
پآیین نامه IBC-2000 نیز در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را به صورت رابطه (2-33) وارد کرده است:
(2-33)
در رابطه فوق تعریف و مانند تعریف فوق برای آیین نامه UBC بوده، : اثر نیروهای افقی زلزله، : شتاب طیفی طراحی و: اثر بارهای مرده است.
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون
فریمن،ضرایب تقریبی مقاومت افزون را برای قابهای خمشی بتن مسلح چهار و هفت طبقه به ترتیب برابر با 8/2 و 8/4 برآورد کرده بودند.
یوانگ و معروف در سال 1993، دو ساختمانی را که زلزله سال 1989 لوما پریتا تجربه کرده بودند، مورد تحلیل قرار دادند: یک ساختمان 13 طبقه با قاب فولادی و یک ساختمان 6 طبقه بتن مسلح با قابهای خمشی پیرامونی. ضرایب مقاومت افزون برای این دو ساختمان پس از اعمال اصلاحات به منظور منعکس کردن اثر طراحی بر اساس مقاومت، به ترتیب 4 و 9/1 گزارش شد.
هوانگ و شینوزوکا در سال 1994، یک ساختمان بتن مسلح چهار طبقه با قاب خمشی میانی را که در ناحیه لرزه خیزی 2 آیین نامه UBC قرار داشت، مورد مطالعه قرار دادند. برش پایه طراحی برای این ساختمان W0.09 بود. حداکثر مقاومت جانبی ساختمان W0.62 محاسبه شد که در صورت عدم محدودیت برای آسیب سیستم، ضریب مقاومت افزون 2/2 به دست آمده بود. (اگر سطح عملکرد در طراحی «بدون آسیب» انتخاب شده بود، ضریب مقاومت افزون تقریباً 6/1 می شد).
برترو و تیلمو در سال 1999 اثر نامعینی و باز توزیع نیرو های داخلی را در طراحی مقاوم لرزه ای مورد مطالعه قرار دادند، نتیجه این مطالعات آن شد که باز توزیع نیرو های داخلی می تواند اثرات مفیدی بر پاسخ سازه در هنگام وقوع زلزه داشته باشد و مسئله مقاومت افزون کاملا وابسته به شکل پذیری می باشد.
با مقایسه مقادیر به دست آمده توسط پژوهشگران مختلف برای سازه های متفاوت چنین به نظر می رسد که پراکندگی در مقادیر گزارش شده برای ضریب مقاومت افزون قابل توجه و برای استفاده در طراحی حرفه ای زیاد است. بدیهی است که برای توسعه ضرایب مقاومت افزون با قابلیت اعتماد کافی که بتواند در آیین نامه های طراحی لرزه ای به کار رود، به مطالعات ویژه در مورد هر یک از سیستم های سازه ای با شرایط مختلف، نیاز است.
2-4-3- درجه نامعینی
نامعینی سیستم های سازه ای مفهوم مهمی است که از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده است. پس از مشاهده تخریب تعداد زیادی از سیستم های سازه ای با درجات نامعینی کم، در زلزله های 1994 نورتریج و 1995 کوبه، موضوع نامعینی سازه ای، به شکل جدی تری مطرح شد. تاکنون تعریفها و تفسیرهای متفاوتی از نامعینی سازه ای، که وابسته به عدم قطعیت نیز و ظرفیت سازه هاست، ارائه شده است. از این رو، استفاده از مفاهیم عدم قطعیت، مبنای یکی از روشهای مطالعه نا معینی سیستم های سازه ای تحت بارهای لرزه ای است.
در سال 1978، کرنل برای در نظرگرفتن عدم قطعیت در سیستم های سازه ای، ضریبی بنام ضریب نامعینی پیشنهاد کرد. این ضریب به عنوان احتمال شرطی گسیختگی سیستم معرفی و اولین گسیختگی را که ممکن بود در هر یک از اعضای سازه های سکوی دریایی رخ دهد، مشخص می‎کرد.
هنداوی و فرانگوپل در سال 1994، یک ضریب نامعینی احتمالاتی را پیشنهاد کردند. ضریب پیشنهادی این پژوهشگران به صورت نسبت احتمال تسلیم اولین عضو منهای احتمال انهدام، به احتمال انهدام سیستم تعریف می‎شد.
برترو پدر و پسر در سال 1999 برای اندازه اندگیزی نامعینی سازه‎های قابی تحت اثر حرکتهای زمین ناشی از زلزله، از مهفوم «درجه نامعینی» استفاده کردند. درجه نامعینی که این پژوهشگران مورد استفاده قرار دادند به عنوان تعداد نواحی بحرانی یا لولاهای خمیری در سیستم سازه‎ای تعریف می ‎شود که مقدار قابل توجهی از انرژی هیسترتیک خمیری را قبل از انهدام سازه مستهلک می‎نمایند. در پژوهش های شده، اثرهای مقاومت افزون، ضرائب تغییرات نیاز و ظرفیت و دیگر عوامل، بررسی شده و چنین نتیجه گیری شده است، که جدا کردن نامعینی از عوامل دیگر دشوار است.
در ATC-19 و ATC-34 به منظورکمّی کردن قابلیت اعتماد سیستم های قاب لرزه ای، ضرایبی به عنوان ضرایب نامعینی پیشنهاد شده است.
آیین نامه ساختمانی متحدالشکل (UBC)و مقررات NEHRP، از سال 1997 یک ضریب QUOTEρ با عنوان ضریب قابلیت اعتماد / نامعینی معرفی کرده اند که در نیروی جانبی زلزله برای طراحی ضرب می شود. در آیین نامه ساختمانی بین المللی (IBC) سال 2000 نیز چنین ضریبی آورده شده است. در پی این بررسی ها گفته شده است که برای رسیدن به ضریب نامعینی کمی و قابل قبول که بتواند در ارزیابی سازه ها و نیز طراحی مورد استفاده قرار گیرد، به تحقیقات و تجربیات گسترده ای نیاز است.
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای
نتایج نخستین پژوهشی که در رابطه با استفاده از مفهوم قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای و ارتباط آن با درجه نا معینی این سیستم ها انجام شد، طی پروژه - ریسرچای در سال 1974، توسط موسز(موسی) منتشر گردید. گر چه مبنای این تحقیقات و یافته های آن بر اساس بارگذاری لرزه ای بررسی کرده اند از نتایج کارهای موسز استفاده شده و دستاوردهای این محقق برای بارگذاری لرزه ای نیز تعمیم یافته است.
برای یک طراحی ایمن، موضوع قابلیت اعتماد، غالباً متوجه عضوهایی نظیر تیرها و ستونها می باشد.ضرایب اطمینان طراحی که به این ترتیب به دست می آیند، این تضمین را می دهند که احتمال خرابی عضو در برش، خمش، و نیروی محوری کوچک باشد. این در حالی است که این اجزا عموماً بخشی از یک سیستم سازه ای را تشکیل می دهند و اندر کنش بین عضو و سیستم سازه ای از قابلیت اغتماد یک عضو سازه ای بیشتر است یا کمتر؟ پاسخ به این سؤال به عواملی مانند، درجات نامعینی استاتیکی، شکل پذیری، خصوصیات مودهای خرابی و پیکربندی سیستم سازه ای وابسته است.
تا کنون از دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای، که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی سازه ای می توانند مفید باشند، استفاده شده است. در ادامه دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی مفید باشند، مطرح خواهد شد. یک سیستم سازه ای ممکن است دارای اعضای موازی، سِری یا ترکیبی از این دو باشد. در سیستم های سری با خرابی هر عضو،کل سیستم دچار خرابی می گردد و بدین لحاظ به آن، سیستم ضعیف ترین اتصال گفته می شود. سازه های معین استاتیکی مثالهایی از این نوع سیستم ها هستند.
در سیستمهای موازی پس از خرابی عضوی خاص، توزیع مجدد نیرو در اعضای انجام می پذیرد و این عمل آنقدر ادامه می یابد تا سیستم دچار انهدام شود. بدین لحاظ به سیستم موازی، سیستم ایمن- زوال نیز گفته می شود. این سیستم در تحلیل انهدام سازه های نامعین استاتیکی که خرابی در آنها هنگامی رخ می دهدکه چندین عضو به ظرفیت مقاومت خود برسند، مورد استفاده قرار می گیرد.
اینکه چندین عضو به ظرفیت مقاومتی خود برسند، حاکی از آن است که سیستم به نوعی دارای مقاومت همبسته است، این موضوع را نشان می دهند که متغیرهای تصادفی مقاومت، به گونه ای به یکدیگر مرتبط اند که اگر مقاومت یک عضو، مثلاً بیشتر از مقدار میانگین خود، بیشتر باشند. این همبستگی ممکن است بر اثر وجود منابع مشترک مصالح، تشابه روش ساخت، روشهای کنترل و بازرسی، و شاید تعبیر یکنواختی مقاومتها توسط طراح پدید آید. فرض استقلال مقاومتها به مفهوم عدم همبستگی بین آنهاست.
در سیستم های موازی، استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه کاهش عدم قطعیت مقاومت کلی افزایش می‎دهد. خلاف این موضوع برای سیستم های سری صادق است. در سیستم های سرس استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه افزایش احتمال آنکه با خرابی یک عضو خاص، کل سیستم خراب شود، کاهش می دهد.
مدلهای موازی و سری، تنها الگوهای ایده آل هستند و اکثر سازه ها ترکیبی از این مدلها می باشند. برای مثال، در یک ساختمان چند طبقه، هرستون واقع در یک طبقه ساختمان چند طبقه، هر ستون واقع در یک طبقه در برابر بار جانبی، مانند قسمتی از یک سیستم موازی عمل می‎کند، در حالی که هر طبقه ساختمان قسمتی از یک سیستم سری را تشکیل می‎دهد.
هنگامی که عدم قطعیت در بارگذاری مطرح باشد، مقایسه مدلها تا حدی مخدوش می شود. یعنی چنانچه عدم قطعیت در بار خارجی (مثلاً بیان شده بر حسب ضریب تغیرات بار، VR خیلی بیشتر از عدم قطعیت در مقاومت (VR) باشد)، احتمال خرابی توسط VL کنترل می‎شود و رفتار سیستم خواه سری باشد یا موازی و خواه همبسته باشد یا مستقل، تأثیر کمی بر روی احتمال خرابی خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر گرد بادی که احتمال وقوع آن خیلی کم است بر ساختمانی که برای بارهای معمولی باد طرح شده است اثر کند، سازه صرف نظر از نوع پیکر بندیش خراب خواهد شد. در حالت متداول تر بارگذاری که در آن، طراح به طور ویژه استراتژی حفاظتی در برابر بارهای نهایی از قبیل طوفان یا زلزله را مد نظر قرار داده باشد، پیکر بندی سازه و نوع سیستم در ارزیابی قابلیت اعتماد مؤثر خواهد بود. از دیگر نکاتی که روی اندر کنش عضو و سیستم سازه اثر می‎گذارد، رفتار عضو پس از رسیدن به ظرفیت اسمی اوست. یک عضو شکل پذیر، تراز نیروی خود را در صورت ادامه تغیر مکان، کاهش می‎یابد. از این رو، در اکثر سازه هایی که اعضای ترد دارند، رفتار سازه صرف نظر از هندسه پیکربندی، همانند سیستم های سری می‎باشد. به عبارت دیگر، خرابی هر عضو باعث خرابی سیستم خواهد شد. تنها سازه های با درجه نامعینی استاتیکی بالا که دارای ضریب اطمینان اسمی بزرگی نیز باشند، به اندازه کافی طرفیت مقاومتی ذخیره خواهند داشت تا پس از خرابی عضوی ترد بتوانند توزیع مجدد نیرو کرده و به انتقال بار ادامه دهند.
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف
همانگونه که در جدول (2-2) اشاره شد، موسز ضریب کاهش مقاومت میانگین را متناسب با عکس جذر تعداد شرطهای مقاومتی مستقل (لوله های خمیری در یک سیستم با امکان حرکت جانبی) برای قابهای نامعین مقاوم، پیشنهاد کرده بود. در 19-ATC، فرض شده است که برای تأمین نامعینی کافی در هر یک از جهت های اصلی سازه یک ساختمان، حداقل چهار ردیف قابهای لرزه ای قائم که از نظر مقاومت و تغییر شکل سازگار باشند، لازم است. از این رو، با در نظر گرفتن هر یک از ردیفهای قاب لرزه ای قائم به عنوان یک شرط مقاومتی در حرکت جانبی، مقادیر جدول(2-2) به دست خواهد آمد. این آیین نامه، ضریب نامعینی را به عنوان بخشی از فرمولاسیون ضریب رفتار پیشنهادی خود قلمداد کرده و آن را در ردیف ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری و ضریب مقاومت افزوم قرار داده است.
جدول (2-1): مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسزتعداد ردیفهای قاب لرزه بر ضریب نامعینی ATC-19 ضریب محاسباتی از پیشنهاد موسز
2 71/0 707/0
3 86/0 866/0

matn asli

2- اصل رعایت حقوق: التزام به رعایت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهیدگان (انسان، حیوان و نبات) و سایر صاحبان حق
3- اصل مالکیت مادی و معنوی: تعهد به رعایت کامل حقوق مادی و معنوی دانشگاه و کلیه همکاران پژوهش
4- اصل منافع ملی: تعهد به رعایت مصالح ملی و در نظر داشتن پیشبرد و توسعه کشور در کلیه مراحل پژوهش
5- اصل رعایت انصاف و امانت: تعهد به اجتناب از هرگونه جانب داری غیر علمی و حفاظت از اموال، تجهیزات و منابع در اختیار
6- اصل رازداری: تعهد به صیانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد، سازمان‌ها و کشور و کلیه افراد و نهادهای مرتبط با تحقیق
7- اصل احترام: تعهد به رعایت حریم‌ها و حرمت‌ها در انجام تحقیقات و رعایت جانب نقد و خودداری از هرگونه حرمت شکنی
8- اصل ترویج : تعهد به رواج دانش و اشاعه نتایج تحقیقات و انتقال آن به همکاران علمی و دانشجویان به غیر از مواردی که منع قانونی دارد.
9- اصل برائت: التزام به برائت جویی از هرگونه رفتار غیرحرفه‌ای و اعلام موضع نسبت به کسانی که حوزه علم و پژوهش را به شائبه‌های غیرعلمی می‌آلایند.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده1
فصل اول « بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
1-1- مقدمه3
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها5
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل5
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی6
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال7
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی7
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی8
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم9
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی9
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی10
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور12
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم 13
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی15
1-4- پوش آور مودی15
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی 15
1-6- نتیجه گیری16
فصل دوم « بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
2-1- مقدمه18
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار20
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار20
2-3-1- روشهای آمریکایی22
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن22
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ24
2-3-2- روشهای اروپایی27
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری27
2-3-2-2- روش انرژی29
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار30
2-4-1- شکل پذیری30
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه30
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری30
2-4-2- مقاومت افزون32
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون33
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون35
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها36
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون37
2-4-3- درجه نامعینی38
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای 39
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف42
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها44
2-5- محاسبه ضریب رفتار توسط آنالیز تاریخچه زمانی44
2-5-1- معیار های عملکرد در آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی45
2-5-1-1- معیار تغییر مکان نسبی بین طبقات46
2-5-1-2- معیار پایداری46
2-6-روش بررسی ضریب رفتار با روند fema p695 47
2-7- نتیجه گیری56
فصل سوم « مدلسازی مسئله »
3-1-مقدمه58
3-2-فرضیات58
3-3-تحلیل استاتیکی خطی59
3-4-تحلیل پوش آور64
3-5-تحلیل دینامیکی غیر خطی(incremental dynamic analysis)68
فصل چهارم « ارزیابی ضرایب رفتار قاب ها »
4-1-مشخصات دینامیکی مدل ها74
4-2- ضریب بیش مقاومت74
4-3-محاسبه ظرفیت خرابی بوسیله آنالیز IDA76
4-4- بررسی خرابی83
فصل پنجم « نتیجه گیری »
5-1 نتیجه گیری85
منابع87

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسز42
جدول2-2- نسبت دقت برای نیاز طراحی48
جدول2-3- نسبت دقت برای آزمایش مصالح49
جدول2-4 جهت محاسبه SSF53
جدول2-554
جدول2-655
جدول 3-1 مشخصات مصالح59
جدول 3-2 انواع قاب ها60
جدول 3-3 نتایج تحلیل استاتیکی خطی62
جدول3-4 خروجی پوش آور68
جدول 3-5 انواع شتاب نگاشت و ضریب نرمال سازی شتاب نگاشت ها69
جدول4-174
جدول4-275
جدول4-3 خروجی پوش آور75
جدول4-476
جدول 4-577
جدول4-678
جدول4-778
جدول 4-8 خروجی IDA79
جدول 4-980
جدول 4-1081
جدول 4-1181
جدول 4-1281
جدول4-13 نهایی82

فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور11
شکل 1-2 منحنی پوش آور14
شکل 2-1 نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف25
شکل 2-2 مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد28
شکل 2-3 طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت 32
شکل 2-4 حالت های کلی ناپایداری.47
شکل2-5نمودار پوش آور50
شکل 2-6 نمودار IDA52
شکل 3-1 مقدار و نحوه بار گذاری بار مرده برای مدل پنج سقف با پنج دهانه60
شکل 3-2 ابعاد تیر و ستون مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-3 مقدار آرماتور طولی برای مدل پنج سقف با پنج دهانه63
شکل 3-4 منحنی رفتار فولاد مورد استفاده65
شکل 3-5 نمودار پوش اور مدل پنج دهانه پنج سقف67
شکل 3-6 نمودار IDA پنج دهانه سه سقف72
شکل 4-1 نمودار IDA پنج دهانه پنج سقف76
شکل 4-2 نمودار ADI سه دهانه سه سقف77
شکل 4-3 پوش اور نمودار مدل 3x380
شکل 4-4نمودار جابجایی نسبی طبقات83
چکیده
در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل نیاز است که ضریب رفتار با استفاده از روش های معتبر مورد نقد قرار گیرد. بدین منظور در این پایان نامه بر آن شدیم که با استفاده از روند آیین نامه FEMA p695 این ضریب را برای قاب های متداول ایران مورد بحث قرار دهیم.که روال انجام آن مختصرا به شرح زیر است. ما از نه قاب بتن آرمه با تنوع یک و سه و پنج طبقه و تعداد دهانه یک و سه و پنج دهانه استفاده کردیم که طراحی مدلهای سازه ای متنوع از یک سیستم سازه ای با توجه به آیین نامه های طراحی و بارگذاری مربوط، تشخیص میزان اطمینان از رفتار لرزه ای سیستم سازه ای مورد نظر، انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی برای محاسبه ضریب اضافه مقاومت سازه ها و ضریب شکل پذیری بر مبنای پریود، محاسبه نسبت مرز خرابی بوسیله آنالیز دینامیکی غیر خطی و مقایسه این نسبت با نسبتهای پیشنهادی آیین نامه با توجه به اصلاحات شکل طیفی و غیره. به این منظور از نرم افزار های ETABS, Seismostruct استفاده می شود.و در پایان به بررسی خرابی یک نمونه از مدل ها می پردازیم.و از جداول و نمودارها نتایج لازم استخراج می نماییم.
کلید واژه ها : ضریب رفتار ،ضریب اضافه مقاومت ،FEMA p695 ،قاب های خمشی بتن آرمه
فصل اول
« بررسی آنالیز استاتیکی غیر خطی »
در حال حاضر به نظر می رسد بهترین روش انجام آنالیزهای لرزه ای، آنالیز دینامیکی غیرخطی باشد ولی به دلیل پیچیدگی و زمان بر بودن آن محققین را بر آن داشته است تا طیف وسیعی از مطالعات در مورد آنالیز های استاتیکی غیرخطی موسوم به پوش آور مرسوم داشته باشند.با توسعه کاربرد تحلیل پوش آور در سالهای اخیر روشهای پوش آور پیشرفته متعددی برای لحاظ کردن اثر مود های بالاتر و همچنین اثر تغییرات مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء پیشنهاد شده است. روشهای پیشنهادی عموماً برای لحاظ کردن اثرات مود های بالاتر از چندین تحلیل پوش آور با الگوی بارهای متناسب با اشکال مودی سازه استفاده می نماید و نتایج حاصل از این تحلیل ها با یکدیگر ترکیب می شوند. در این فصل فرایند توسعه روشهای پوش آور به طور کامل شرح داده می شود و در انتها آخرین نتایج به دست آمده توسط محققین ارائه می گردد.
1-1- مقدمه
در سالهای گذشته آنالیز ارتجاعی، بیشترین کاربرد را جهت تحلیل و بررسی رفتار سازه ها در مقابل زلزله داشته است، اما عملکرد سازه ها در زلزله ها نشان داده است که صرفاً تحلیلهای ارتجاعی برای این منظور کافی نیستند. آنالیز دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی، دقیق ترین روش جهت بررسی رفتار سازه ها هنگام زلزله است، اما این روش بسیار وقت گیر و پیچیده است. در این شیوه برای آنالیز سازه نیاز به مجموعه ای از شتابنگاشتهای مختلف می باشد تا بتوان بر اساس نتایج بدست آمده از آنالیزهای انجام شده تصمیم مقتضی گرفت، ضمن اینکه تصمیم گیری در مورد نتایج بدست آمده نیاز به دانش و تخصص کافی در این زمینه دارد.
در پی مشکلات عنوان شده پژوهشگران پیوسته به دنبال روشی بوده اند که بتواند با سرعت بالاتری سازه ها را در ناﺣﯿﮥ غیر خطی تحلیل کند. در این راستا ایدﮤ تحلیل استاتیکی فزایندﮤ غیر خطی در سال 1975 توسط محققین مطرح گردید و گامهای اولیه در این زمینه برداشته شد.
در روش مذکور، موسوم به آنالیز پوش آور متداول، سازه تحت الگوی بارگذاری ثابت تا تغییر مکان معینی موسوم به تغییر مکان هدف جلو برده می شود، مگر اینکه فروریزش سازه زودتر از رسیدن به تغییر مکان هدف رخ دهد. بعد از انجام آنالیز قادر به استخراج نتایجی از قبیل منحنی ظرفیت سازه، تغییر مکان نسبی طبقات، نیروهای داخلی اعضاء و دیگر پاسخهای لرزه ای سازه خواهیم بود .
لازم به ذکر است در طی سالهای اخیر تحلیل پوش آور به عنوان یک فرایند کاربردی نقش موثری در جهت پیشرفت و توسعه آنالیز های لرزه ای بر مبنای عملکرد داشته است و به طور گسترده ای در آیین نامه ها و دستوالعمل های بهسازی لرزه ای سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. در طی فرایند تحقیقات به عمل آمده در مورد روشهای پوش آور از سوی محققین و در جهت رفع معایب پوش آور مرسوم که قادر نمی باشد اثر مودهای بالاتر و اثر تغییر مشخصات مودال سازه در طول تحلیل ناشی از تسلیم اعضاء در نظر بگیرد روشهای پوش‌آور جدیدی براساس مفاهیم ترکیب مودال سازه ارائه گردیده است. در سال 2002 روش MPAتوسط چوپرا وگوئل پیشنهاد شد. در این روش چندین تحلیل پوش‌آور با الگوی بار متناسب با اشکال مودی الاستیک چند مود اول انجام گرفته سپس پاسخ لرزه‌ای سازه از ترکیب پاسخ‌های حاصل از هر مود با استفاده از روش ترکیب مجموع مربعات (SRSS) بدست می‌آمد. از آنجایی که در مودهای بالاتر افزایش جابجایی بام متناسب با افزایش جابجایی سایر طبقات نمی‌باشد و حتی در برخی موارد با افزایش برش پایه طبقه بام در جهت عکس حرکت می‌کند لذا استفاده از جابجایی بام به عنوان نقطه کنترل تغییر مکان در مودهای بالاتر با ابهاماتی روبه‌رو بوده است. در سال 2004 چوپرا وگوئل برای رفع این نقیصه روش MMPA ارائه کردند. در تمام این تحلیل‌ها به علت آنکه الگوی بارگذاری ثابت است و باتوجه به کاهش سختی در طی تحلیل الگوی بار بهنگام نمی شود همچنان این آنالیز ها ازنتایج خوبی برخوردار نبود.
پس از چوپرا وگوئل با انجام مطالعات‌و بررسی‌ها در جهت رفع نواقص روش های قبلی، روشهایی ابداع شد که در هرمرحله با کاهش سختی ناشی از تسلیم اعضاء بارگذاری بهنگام می شود و در سالهای اخیر توسط آنتونیو و پینهو جدیدترین روشهای پوش‌آور تطبیقی APA که به صورت یک مدل تحلیل فیبری (Fiber)تحت عنوان روشهای FAPوDAPتوسعه یافته است. در ادامه پس از مروری بر آنالیز های لرزه ای مورد استفاده در آئین نامه ها به شرح کامل آنالیز استاتیکی غیر خطی خواهیم پرداخت.
1-2- مروری بر روشهای تحلیل لرزهای سازه ها
به منظور بررسی رفتار سازه در مقابل زلزله و همچنین طراحی لرزه‌ای، نیاز به تحلیل لرزه‌ای میباشد. انتخاب نوع تحلیل بستگی به عواملی همچون دقت مورد انتظار و توصیه آیین نامهها دارد. آنالیز لرزه‌ای سازهها به چهار روش استاتیکی و دینامیکیِ خطی و غیرخطی انجام می‌شود که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.
1-2-1- تحلیل استاتیکی معادل
این روش از متداولترین شیوه‌های تحلیل لرزه‌ای است که در تمام آیین نامه‌های زلزله دنیا با اختلافاتی جزئی نسبت به یکدیگر از آن استفاده شده است. روش کار بدین گونه است که برش پایه طرح که درصدی از وزن سازه است و توسط ضریبی به نام ضریب زلزله بدست می آید، بر اساس یک الگوی بارگذاری مشخص در امتداد قائم سازه توزیع و به آن وارد میگردد. پس از این مرحله با استفاده از ترکیبات بارگذاری توصیه شده توسط آیین نامهها، تحلیل سازه با فرضیات و تئوری های حاکم بر رفتار ارتجاعی و خطی، انجام می گیرد و نیروهای داخلی اعضا استخراج و سپس طراحی صورت می پذیرد.
الگوی بارگذاری در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ایران) به شکل مثلثی و برگرفته از شکل مود اول الاستیک سازه است. در استاندارد 2800 ایران، نیروی برشی پایه ، مطابق رابطه زیر در ارتفاع ساختمان توزیع می گردد:
(1-1)
در رابطه (1-1):
: نیروی جانبی در تراز طبقهام، : ارتفاع طبقهام از تر از پایه،: ارتفاع طبقهام از تراز پایه، : وزن موثر طبقهام، : وزن موثر طبقهام و نیروی جانبی اضافی در تراز سقف که بوسیله رابطه زیر تعیین می شود:
(1-2)
نیروی نباید بیشتر از در نظر گرفته شود و چنانچه برابر یا کوچکتر از ثانیه باشد، می توان آن را برابر صفر اختیار نمود.
1-2-2- تحلیل دینامیکی خطی
از دیگر روشهای تحلیل لرزه‌ای سازهها که به طور کاربردی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، تحلیل دینامیکی خطی است که به دو روش طیفی و تاریخچه زمانی صورت می‌پذیرد.
1-2-2-1- تحلیل دینامیکی طیفی یا تحلیل مودال
در این روش نیز مانند تحلیل استاتیکی معادل، رفتار اعضای سازه در طی تحلیل سازه ارتجاعی فرض می‌گردد. مشخصات دینامیکی سازه که در طی تحلیل از آن استفاده می‌گردد، مانند زمان تناوب مود‌ها و اشکال مودی، بر رفتار ارتجاعی استوار است. در این روش ابتدا مشخصات دینامیکی سازه در هر مود محاسبه می‌گردد (که امروزه این کار بوسیله نرم‌افزارهای تخصصی انجام می گیرد)، سپس شتاب پاسخ هر مود با توجه به زمان تناوب آن بر اساس طیف پاسخ زلزله مورد نظر یا طیف طرح آیین نامه محاسبه و به دنبال آن هر گونه پاسخ لرزه‌ای سازه در آن مود مانند برش پایه، نیروی طبقات، تغییرمکان نسبی طبقات، نیروی اعضا و ... طبق مشخصات دینامیکی آن مود بدست خواهد آمد. پس از آن با استفاده از روشهای آماری معتبر مانند جذر مجموع مربعات(SRSS) یا ترکیب مربعی کامل(CQC) پاسخ مودها با یکدیگر ترکیب و به این ترتیب پاسخ کلی حاصل می‌گردد.
1-2-2-2- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی
فرضیات این تحلیل نیز مانند تحلیل طیفی خطی بر اساس رفتار ارتجاعی اعضا و سازه استوار است. شیوه تحلیل بدین گونه است که پی سازه تحت اثر شتابنگاشت زلزله مورد نظر با به کارگیری روابط دینامیک سازه تحلیل می‌شود و پاسخهای سازه در هر گام زمانی ثبت می گردد و مجموعهای موسوم به تاریخچه پاسخ حاصل می گردد. در نهایت مهندس طراح بر اساس تاریخچه های پاسخ سازه در مقابل شتابنگاشتها و اتکا بر دانش و قضاوت مهندسی، در مورد چگونگی کاربرد پاسخ ها جهت طراحی سازه تصمیم خواهد گرفت.
خصوصیات شتابنگاشتهای انتخاب شده جهت تحلیل به شرح زیر است.
الف- حداقل باید سه زوج شتاب نگاشت انتخاب گردد که در این صورت حداکثر بازتاب در هر لحظه زمانی از این سه زوج به عنوان بازتاب نهایی تلقی می‌گردد. از هفت زوج شتابنگاشت نیز جهت تحلیل می‌توان استفاده کرد که در این حالت، بازتاب نهایی مورد نظر، میانگین بازتاب‌های بدست آمده خواهد بود.
ب- ساختگاههای شتابنگاشتها باید به لحاظ ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی و خصوصیات لایه‌های خاک با زمین محل ساختمان، تا حد امکان مشابهت داشته باشند.
ج- مدت زمان حرکت شدید زمین در شتابنگاشتها، حداقل برابر با 10 ثانیه یا سه برابر زمان تناوب اصلی سازه، هرکدام که بیشتر است باشد .
1-2-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی
در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی رفتار سازه در حوزه غیرارتجاعی تحت شتابنگاشت زلزله مورد نظر بررسی می‌گردد. جهت حصول نتایج مطلوب لازم است مشخصات غیرخطی اجزا از قبیل مقاومت، سختی، میزان شکل‌پذیری و همچنین رفتار چرخه‌ای کامل آنها که در نرم افزار مدلسازی می‌گردد، با مشخصات رفتار واقعی آنها مطابقت داشته باشد. این مشخصات معمولاً بوسیله مدلهای ساخته شده در آزمایشگاهها تعیین می شوند . محاسبه تحلیلی پاسخ دینامیکی سازهها در حوزه غیرخطی، حتی اگر تغییرات زمانی تابع تحریک، تابع سادهای باشد، معمولاً امکان پذیر نیست، در نتیجه روش اصلی برای تحلیل سیستم های غیرخطی، روشهای عددی است که از آن جمله می توان به دو روش تفاضل مرکزی و روش نیومارک اشاره نمود. امروزه این کار به عهده رایانه هاست و اساس تحلیل در آنها به روشهای عددی استوار است. در این روش در هر گام زمانی از تحلیل، سختی سازه اصلاح می گردد و پاسخ سازه در آن گام بر اساس سختی اصلاح شده محاسبه می گردد که ثبت پاسخ ها در گامهای زمانی مربوطه منجر به تهیه تاریخچه پاسخ واقعی سازه خواهد شد .
لازم بذکر است که تحلیل سازه به روش تاریخچه زمانی غیرخطی تا حدودی مشکل و وقت گیر است، ضمن اینکه مدلسازی اعضای آن و از طرف دیگر بررسی نتایج تحلیل نیاز به تخصص کافی در این زمینه دارد. این روش معمولاً جهت کارهای تحقیقاتی و تحلیل سازههای خاص و حساس بکار می رود.
بکارگیری روشهای دینامیکی در تحلیل لرزه‌ای کلیه سازه ها مناسب و اختیاری است، اما بر اساس استاندارد 2800 ایران برای ساختمانهای منظم با ارتفاع بیش از 50 متر از تراز پایه و ساختمانهای نامنظم بیش از 5 طبقه و یا ارتفاع بیش از 18 متر اجباری است.
با توجه به مسائل فوق و مشکل بودن این روش از تحلیل لرزه‌ای، محققین بدنبال روشی بوده اند که ضمن دارا بودن سرعت و دقت لازم در تحلیل، عملاً از سادگی نیز برخوردار باشد. حاصل تحقیقات، ارائه روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور) در چند دهه گذشته و روند تکاملی آن در سالهای اخیر بوده است. در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.
1-3- تحلیل پوش آور مرسوم
1-3-1- مطالعه مقایسه ای آنالیز استاتیکی غیرخطی با آنالیز دینامیکی غیرخطی
درسالهای اخیرتحلیل استاتیکی غیرخطی درمقایسه با تحلیل های دینامیکی غیرخطی موردتوجه بیشتری قرارگرفته است.علت این مسأله توانایی تحلیل های استاتیکی غیرخطی درمحاسبه پارامترهای سازهای بدون نیازبه مدلسازی و محاسبات پیچیده خاص تحلیل های دینامیکی غیرخطی است .
توضیح اینکه هرچند از روش های دینامیکی غیرخطی به دلیل درنظرگرفتن توأم اثرات دینامیکی نیرو و رفتارغیرخطی اعضابه عنوان کاملترین روش یاد می شود،امابه دلیل مشکلاتی ازقبیل پیچیدگی،پرهزینه بودن وهمچنین حساسیت زیاد نتایج آن به دقت مدل وفرضیات حرکت زمین،که عدم توجه به آنها باعث کاهش شدید دقت نتایج خواهدشد،باعث می شود به سختی بتوان از این روش برای مسائل کاربردی ومهندسی استفاده کرد.
عامل مهم دیگر یکه باعث تمایل بیشتر به استفاده ازروش تحلیل استاتیک غیرخطی شده است، توانایی این روش دردنبال کردن گام به گام رفتارسازه درطول عملکردغیرارتجاعی آن وتعقیب مکانیزم شکست دراعضاءمی باشد،که این مسأله درتحلیل دینامیکی غیرخطی به سادگی میسرنمیشود. البته باید توجه داشت که دربکارگیری این روش های ساده شده بایدعدم قطعیتهاراموردتوجه قرارداد تا بتوان روش مذکوررابه عنوان ابزاری در روش های طراحی براساس عملکردگنجاند.
این روش به نحو مناسبی در سالهای اخیر مورد توجه مهندسین و محققین قرار گرفته و به عنوان ابزاری مناسب جهت تحلیل و تخمین نیاز لرزه‌ای سازه ها در محدوده غیر خطی مورد استفاده قرار گرفته است. روش مذکور جای خود را در بین روشهای آنالیز غیر خطی به خوبی باز نموده تا جائیکه در سالهای گذشته آیین نامه ها مباحث آنرا در سرفصل های خود جای داده اند، تاکنون گزارشها و دستورالعمل های متعددی از جمله سری آیین نامه های FEMA، ATC و همچنین دستورالعمل بهسازی لرزه ای ایران در این زمینه منتشر شده اند .
1-3-2- اساس تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی
اساس کلی روش مذکور موسوم به آنالیز پوش آور مرسوم بدینگونه است که یک بار جانبی مطابق با الگوی بارگذاری ثابت و مشخصی به صورت فزاینده و گام به گام تا رسیدن به یک تغییر مکان از پیش تعیین شده به نام تغییر مکان هدف و یا فرو ریزش و خرابی نهایی سازه به آن اعمال می‌شود. سپس در آن تغییر مکان نیازهای لرزه‌ای سازه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در شکل (1-1) مراحل اعمال بار جانبی به سازه و تغییر شکل آن از حالت ارتجاعی تا فروریزش نشان داده شده است .

شکل (1-1): مراحل اعمال بار جانبی به سازه، از ایجاد تغییرشکلهای ارتجاعی تا آستانه فرو ریزش در آنالیز پوش آور
در این روش رفتار یک سیستم چند درجه آزاد از طریق یک سیستم یک درجه آزاد معادل مورد مطالعه قرار می گیرد. سیستم یک درجه آزاد معادل نماینده یک سیستم چند درجه آزادی در یک مود مشخص است که دارای خصوصیات مشابهی از جمله پریود و رفتار خطی و یا غیر خطی اجزاء می‌باشد. این مفهوم در مهندسی زلزله جایگاه و کاربرد ویژه ای دارد که می توان به تهیه طیف پاسخ زلزله بوسیله آن اشاره نمود.
ارتباط اصلی بین این دو سیستم در آنالیز استاتیکی غیر خطی بوسیله ضریب مشارکت مودی، مود اصلی سیستم چند درجه آزاد، ایجاد می گردد. این ضریب از رابطه (1-3) قابل محاسبه است.
(1-3)
که و به ترتیب بردار شکل مود اصلی و بردار جرم سیستم چند درجه آزاد می‌باشند.
حال با داشتن ضریب انتقال و نتایج تحلیل پوش آور سیستم چند درجه آزاد و بکارگیری رابطه (1-4) مشخصه های نیرو- تغییر شکل سیستم یک درجه آزاد تعیین می‌گردند.
(1-4)
در روابط فوقو به ترتیب تغییر مکان (بام) و برش پایه نظیر آن در سیستم چند درجه آزادی می باشند.
بدین ترتیب منحنی ظرفیت سیستم یک درجه آزاد معادل قابل ترسیم است.
اگر چه این روش از تئوری قوی برخوردار نیست اما مطالعات پژوهشگران نشان داده است که اگر مود اصلی در رفتار سازه حاکم باشد در نظر گرفتن ضریب انتقال به صورت ثابت در مقابل تغییرات کوچک تا متوسط بردار شکل هنوز می تواند تخمین خوبی جهت تبدیل سیستم چند درجه آزاد به یک درجه آزاد باشد.
حداکثر تغییر مکان سیستم یک درجه آزاد معادل، که در معرض حرکات زمین ناشی از زلزله قرار گرفته است را می توان بوسیله طیف های ارتجاعی، غیر ارتجاعی و یا آنالیز تاریخچه زمانی بدست آورد. پس از تعیین تغییر مکان در سیستم یک درجه آزاد، حداکثر تغییر مکان سیستم چند درجه آزاد با استفاده از رابطه (1-4) تخمین زده خواهد شد.
لازم به توضیح است که تخمین و محاسبه تغییر مکان حداکثر یک سیستم یک درجه آزاد در مقابل حرکات زمین، موسوم به تغییر مکان هدف از طریق طیف پاسخ و یا آنالیز تاریخچه زمانی گستردهای همچون تحلیل طیف ظرفیت را در بر می‌گیرد.
1-3-3- مزایا و نتایج قابل حصول از آنالیز پوش آور
با توجه به اینکه این روش از تحلیل، رفتار سازه را در حالت غیر ارتجاعی نیز بررسی می کند بسیاری از خصوصیات رفتاری سازه که در روشهای خطی قابل دستیابی و مشاهده نیست و از نظر پنهان می‌ماند را هر چند همراه خطا و دارای تقریب، نمایان می کند با چنین اطلاعاتی دقت و میزان صحت تصمیم گیری مهندس و یا محقق جهت اقدامات بعدی افزایش می یابد از جمله موارد کلی استفاده از نتایج تحلیل پوش آور می توان به تهیه منحنی ظرفیت سازه (برش پایه در مقابل تغییر مکان بام) در مقابل بار جانبی اعمال شده تخمین تغییر مکان نسبی طبقات، برآورد میزان چرخش مفاصل پلاستیک ایجاد شده، تخمین تغییر مکان جانبی سازه و هرگونه پاسخ سازه نسبت به حرکات زمین و بار جانبی که جهت بررسی رفتار لرزه ای سازه بدان نیاز داریم اشاره نمود.
نتایج قابل مشاهده و دریافت از آنالیز استاتیکی غیر خطی که توسط کراوینکلر و سنویراتنا (1988) ارائه شده به قرار زیر است .
1- برآورد نیروهای واقعی در اعضای ترد و غیر شکل پذیر از قبیل نیروی محوری در ستونها و لنگر ایجاد شده در اتصالات تیر به ستون و برش در اعضای کوتاه که رفتار برشی در آنها حاکم است.
2- تخمین تغییر شکل مورد نیاز اجزاء سازه که جهت اتلاف انرژی ناشی از زلزله باید در ناحیه غیر ارتجاعی تحمل نمایند.
3- اثرات کاهش مقاومت اجزای خاص بر پایداری سازه.
4- تعیین محل های بحرانی در سازه مانند مکانهایی که دچار تغییر شکل های زیاد می شوند.
5- تعیین نامنظمی های در پلان یا ارتفاع که باعث تغییر در مشخصات دینامیکی سازه در ناحیه غیر ارتجاعی می گردند.
6- تخمین تغییر مکانهای داخلی طبقات با در نظر گیری ناپیوستگی سختی و مقاومت (مانند طبقه نرم) و جلوگیری از این نوع خرابی ها در سازه.
7- ترتیب جاری شدن و شکست اعضاء و بررسی پیشرفت منحنی ظرفیت سازه.
8- بررسی کفایت مسیر بار با در نظر گیری تمام اجزاء سازه ای و غیر سازه ای سیستم به عبارت دیگر بررسی کفایت مسیر انتقال بار جانبی با توجه به ترکیب هندسی موجود سازه.
9- پارامترهای رفتار لرزه ای سازه (مثل شکل پذیری، ضریب رفتار، ...)
1-3-4- روش انجام تحلیل پوش آور مرسوم
منحنی ظرفیت سازه به عنوان نموداری که محورافقی آن تغییرمکان افقی نقطه کنترل سازه می باشدومحورقائم آن برش پایه اعمالی بهسازهاست،ازتحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی حاصل میشود. نمونهای از منحنی ظرفیت سازه در شکل (1-2) نشان داده شده است.تحلیل استاتیکی فزاینده غیر خطی سازهبا استفاده از نرمافزارهایینظیر ETABS،SAP2000 و .. .به راحتی قابل انجام است.
نامهای انجام یک تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی به صورت زیرفهرست میشود.

شکل(1-2): منحنی پوش آور[10].
1- ایجادیک مدل ریاضی از سازه.
2-اعمال بارجانبی به سازه،پس ازتعیین الگوی بارگذاری جانبی.
3-افزایش بارجانبی اعمالی به سازه تاجاییکه بعضی ازاعضای سازه به حدتسلیم برسند.
4-ثبت برش پایه اعمالی درآن مرحله وتعیین تغییرمکان نقطه کنترل برای کنترل رفتار و استفاده درمراحل بعد،ثبت نیروهای سایراعضا نیزلازم است.
5-بازسازی مدل با فرض سختی جانبی صفر برای اعضای جاری شده سازه.
6-افزایش بارجانبی بهسازه تاجاییکه عضوهای دیگری ازسازه جاری شوند.
7-ثبت برش پایه وتغییرمکان نقطه کنترل.
8- روند 3 تا 7 تاجائی تکرارمیشوندتا اینکه سازه یا براثرعواملی مانند ناپایدار شود و یا اینکه به تغییر مکان مشخص ازپیش تعیین شدهای برسد.
9-رسم برش پایه بدست آمده درمراحل مختلف درمقابل تغییرمکان نقطه کنترل سازه.
1-3-5- ارکان اصلی در انجام آنالیز استاتیکی غیر خطی
در آنالیز استاتیکی فزاینده غیر خطی سه مطلب اساسی باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از مشخصات غیر خطی اجزاء، الگوی بارگذاری جانبی و تعیین تغییر مکان هدف. عدم شناخت کافی نسبت به موارد مذکور باعث ایجاد خطا در نتایج و تشدید آن در مراحل بعدی خواهد شد .
استفاده از الگوی بارگذاری متناسب با واقعیت، مدلسازی دقیق رفتار غیر خطی اجزاء سازه و تعیین تغییر مکان هدف صحیح، منجر به کسب نتایج با دقت بیشتر و تخمین مناسب نیازهای لرزه ای در آنالیز سازه خواهد شد. در ادامه به آنها پرداخته می شود.
1-4- پوش آور مودی
استفاده از روشهای تحلیل استاتیکی غیرخطی درتخمین عملکردسازههادرهنگام زلزله بسیار مورد توجه متخصصین قرارگرفته است. از فرضیات این روش این است که، رفتارسازه توسط موداول کنترل می گردد وشکل این مود درتمامی مدت تحلیل ثابت می ماند،که هر دوی این فرضیات غلط می باشند.امانتایج نشان دهندهتقریب مناسب اینروش می باشد. درجهت بهبود هرچه بیشترروش تحلیل استاتیکی فرایندهغیرخطی، روش تحلیل استاتیکی فزاینده غیرخطی مودی(MPA) باتوجه به اصول دینامیک سازههاارائه شده است که امکان در نظرگیری تمامی مودهای مؤثردرپاسخ سازه رابه کاربرمی دهد.
1-5- مقدمه ای بر آنالیز پوش آور تطبیقی
با محاسبه سختی لحظه ای اعضاء و در نتیجه ماتریس سختی کل در هر گام از آنالیز در هنگام اعمال بار جانبی به سازه، شاهد کاهش سختی سازه خواهیم بود. این موضوع نه تنها باعث تغییر پاسخ سازه به حرکات زمین می گردد، بلکه همچنین باعث تغییر توزیع نیروهای اینرسی در ارتفاع سازه خواهد شد. برای تحقق این فرضیات باید از آنالیز پوش آور تطبیقی استفاده گردد و همچنین در هرگام با توجه به کاهش سختی المانهای سازه باید الگوی بارگذاری اصطلاحاً به هنگام گردد. همانطور که در قسمت نواقص و معایب آنالیز پوش آور متداول بیان گردید، تغییرات فوق در خلال آنالیز منظور نمی گردد و الگوی بارگذاری با یک توزیع ثابت به سازه وارد می شود و این یک منبع خطای مهم در ارزیابی لرزه ای سازه محسوب می گردد. اساس روش پوش آور تطبیقی به دو گونه انجام می شود؛ پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو و مبتنی بر جابجایی.
1-6- نتیجه گیری
در این فصل با توجه به نتایج مشاهده شده توسط روش های تحلیل پوش آور به هنگام شونده و مقایسه روش پوش آور تطبیقی مبتنی بر نیرو با نتایج آنالیز دینامیکی غیر خطی و پوش آورهای متداول، طبق نتایج بدست آمده از این روش در سازه های کوتاه به علت تاثیر کمتر اثر مود های بالاتر می توان گفت نتایج این آنالیز معتبر است ولی مطابق با بررسی های که توسط پاپینکولار و النشای در سال 2006 انجام داده اند و ثابت نمودند به دلیل اینکه در روش FAP به علت استفاده از قوانین ترکیب مودال درجه دوم مثل SRSS تغیر علامت نیرو های مودال در طبقات مختلف مود های بالا تر از بین رفته و علامت مولفه های بردار الگوی بار اعمالی در تمام طبقات یکسان است، می توان گفت نتایج تحلیلیFAP در سازه های بلند که اثر مود های بالاتر تاثیر گذاری بیشتری دارند، نه تنها بهبودی در نتایج حاصل نکرده است، بلکه نتایج به سمت مسیر گمراه کننده پیش می رود. در مقابل، نتایج بدست آمده از آنالیز پوش آور تطبیقی بر اساس جابجایی در سازه های بلند دارای نتایج قابل قبول تری نسبت به آنالیز مبتنی بر نیرو و پوش آورهای دیگر می باشد.
فصل دوم
« بررسی ضریب رفتار و اجزاء تشکیل دهنده آن »
آیین نامه های طراحی لرزه ای، نیرو های لرزه ای برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست میآورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ارتجاعی و اتلاف انرژی بر اثر رفتار هیسترتیک ، میرائی و اثر مقاومت افزون سازه، این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نماید. در حال حاضر به نظر می رسد که در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد، به همین دلیل محققین روش های تئوریکی جهت محاسبه ضریب رفنار ارائه نموده اند که در این فصل به طور کامل تشریح گردیده است.
2-1- مقدمه
به طور کلی می توان گفت طراحی سازه ها بر اساس آنالیز های لرزه ای بر این مبناء است که رفتار ساختمان در مقابل نیرو های ناشی از زلزله های کوچک، بدون خسارت در محدوده ارتجاعی باقی بماند و در هنگام وقوع زلزله های شدید که رفتار سازه وارد ناحیه غیر خطی می شود ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارتهای سازه ای و غیر سازه ای را تحمل کند، به همین منظور طراحی لرزه ای سازه در هنگام ورود به ناحیه غیر خطی مستلزم آنالیز های غیر خطی می باشد.
می توان گفت یک تحلیل دینامیکی غیر خطی بیانگر رفتار صحیح و واقعی سازه به هنگام وقوع زلزله می باشد امّا با توجه به پیچیده بودن و پر هزینه بودن آنالیز های غیر خطی و زمان بر بودن این نوع تحلیل ها، روشهای تحلیلی بر مبناء آنالیز در محدوده رفتار خطی سازه با نیروی کاهش یافته زلزله صورت می گیرد.
از طرفی تحلیل و طراحی سازه ها صرفا بر اساس رفتار ارتجاعی اعضاء و عدم توجه به رفتار غیر خطی در هنگام وقوع زلزله باعث ایجاد شدن طرحی غیر اقتصادی که شامل مقاطع سنگین برای طرح خواهد بود می شود.
از اینرو آیین نامه های لرزه ای، نیرو های برای طراحی ارتجاعی سازه را از یک طیف خطی که وابسته به زمان تناوب طبیعی سازه و شرائط خاک محل احداث سازه می باشد، به دست می آورند و جهت در نظر گرفتن اثر رفتار غیر ازتجاعی و اتلاف انرژی بز اثر رفتار هیسترتیک، میرایی و اثر مقاومت افزون سازه این نیروی ارتجاعی را به وسیله ضریب کاهش مقاومت یا به عبارت دیگر ضریب رفتار سازه به نیروی طراحی مبدل می نمایند.
با توجه به اینکه ضرائب رفتار تعین شده توسط آیین نامه های لرزه ای بر پایه مشاهدات عملکردی سیستم های سازه ای مختلف در زلزله های اتفاق افتاده و بر اساس قضاوت مهندسی استوار است در جهت رفع نگرانی پژوهشگران بابت فقدان ضرائب رفتار معقول و مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در سالهای اخیر آیین نامه ها لرزه ای بر این اساس مدون گردیده اند که رفتار های هیستر تیک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت سازه در هنگام استهلاک انرژی را جهت محاسبه ضریب رفتار در نظر بگیرند.
در این فصل به طور کلی تمام اجزاء ضریب رفتار شرح داده می شود.
2-2- تاریخچه مطالعاتی ضریب رفتار
در اغلب آیین نامه های طراحی لرزه ای مقادیر ضریب رفتار ارائه شده بر مبناء قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد سازه در زلزله های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون استوار می باشد. به همین دلیل مقادیر عددی ضرائب رفتار به کار برده در آیین نامه ها مختلف متفاوت می باشد به طوری که می توان گفت محدوده عددی ضریب رفتار برای سازه های بتن مسلح با سیستم قاب خمشی در آیین نامه های اروپایی مانند EC8 بین عدد های 5/1 تا 5 است در صورتیکه برای همین نوع سیستم سازه ای در آیین نامه های آمریکایی مقادیر ضریب رفتار تا عدد 8 هم بیان گردیده است، از اینرو می توان گفت سازه هایی که مطابق آیین نامه های EC8 طراحی شده اند دارای طراحی های سنگین تری نسبت به طراحی های که مطابق آیین نامه های آمریکایی انجام گرفته است می باشند. اگر به طور خاص آیین نامه طراحی لرزه ای ایران را مورد مطالعه قرار دهیم، می توان گفت به دلیل آنکه ضرائب رفتار تعین شده بر مبناء قضاوت مهندسی است دارای کاستی هایی به شرح زیر می باشد:
1- برای سیستم های سازه ای، از یک نوع با ارتفاع ها و زمان تناوب ارتعاش متفاوت از ضرائب رفتار یکسانی استفاده میشود.
2- در R تاثیر شکل پذیری و مقاومت افزون و درجه نامعینی به صراحت نیامده است.
3- اثر لرزه خیزی منطقه در Rلحاظ نشده است.
4- اثر شرائط خاک در R لحاظ نشده است.
2-3- روشهای محاسبه ضریب رفتار
همانطور که از پیش ذکر شد روشهای سنتی چگونگی محاسبه ضریب رفتار برای سیستم های سازه ای بر اساس قضاوت مهندسی انجام می شده است، در طی سالهای اخیر روشهای علمی قابل اعتماد و جدیدی توسط تحقیقات نیومارک ارائه گردیده است.
می توان گفت جدید ترین رابطه های ارائه شده برای ضریب رفتار رابطه ای است که سه عامل شکل پذیری، مقاومت افزون و در جه نامعینی را در بر دارد. دو عامل شکل شکل پذیری و مقاومت افزون برای کشور های مختلف می تواند متفاوت می باشد، زیرا به متغیر های کیفی و کمی متعددی مانند فرهنگ ساخت و ساز و روشهای اجرائی، ناحیه لرزه خیزی و آیین نامه بارگذاری و طراحی بستگی دارد.
از اوائل دهه 1980 در انجمن فن آوری کاربردی (ATC) در طی پژوهشهای فریمن و یوانگ تلاش محققین به سمت تجزیه ضریب رفتار به عوامل تشکیل دهنده آن سوق پیدا نمود.
قابل توجه است که عامل نامعینی ابتدا در آیین نامه های ATC-19 و ATC-40 و سپس در آیین نامه UBC-1997 مطرح گردید.
در سال 1995 محققین برای محاسبه ضریب رفتار رابطه (2-1) را پیش نهاد نمودند.
(2-1)
که در رابطه فوق ضریب کاهش نیرو ناشی از مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو ناشی از شکل پذیری و کاهش نیرو ناشی از نامعینی یا به عبارت دیگر ضریب درجه نامعینی سازه می باشد.
به طور کلی تقسیم بندی که در مورد روشهای محاسبه ضریب رفتار می توان گفت به صورت زیر می باشد:
1- روش های آمریکایی
2- روشهای اروپایی
در طی مطالعات پزوهشگران گذشته روشهای آمریکایی نسبت به روشها اروپایی از ابتکار عمل ساده تری برخوردار بوده اند، به همین جهت در این رساله برای به دست آوردن نتایج ضریب رفتار صرفا" از روش های آمریکایی استفاده گردیده است.
2-3-1- روشهای آمریکایی
از بین روشهای آمریکایی دو روش طیف ظرفیت فریمن و روش یوانگ معتبر تر می باشند از اینرو در ادامه به صورت جزئی به شرح کامل این دو روش می پردازیم.
2-3-1-1- روش طیف ظرفیت فریمن
در سال 1990 فریمن یک روش تحلیلی جهت محاسبه ضریب رفتار تحت تاثیر پارامتر هایی مطابق با رابطه زیر ارائه نموده است.
(2-2)
به طور کلی هر کدام از پارامتر های رابطه فوق به عوامی زیر وابسته می باشد.
1- سیستم سازه ای
2- آرایش قابها
3- ترکیب بار ها
4- درجه نامعینی
5- میرایی سازه
6- ویژیگی های رفتار غیر خطی سازه
7- خصوصیات مصالح
8- نسبت ابعاد ساختمان
9- چگونگی مکانیزم خرابی و عوامل دیگر.
با توجه به گستردگی دامنه تاثیر گذاری عوامل مختلف بر پارمتر های اجزاء ضریب رفتار به ندرت می توان گفت که دو سازه ضریب رفتار یکسانی خواهند داشت.
در ادامه تحقیقات از بین عوامل تاثیر گذار بر ضریب رفتار یک سازه دو عامل ظرفیت سازه و نیرو های ناشی از زلزه را می توان از عوامل اصلی نام برد، که فریمن تمام عوامل فوق را به دو عامل اصلی ظرفیت افزایش یافته سازه و احتیاجات لرزه ای بسط داده است.
در این روش ظرفیت افزایش یافته به اصطلاح مقاومت افزون نام دارد و با نمایش داده می شود. ضریب مقاومت افزون را می توان از یک تحلیل استاتیکی غیر خطی با رسم منحنی ظرفیت سازه (برش پایه- تغیر مکان نقطه بام) از نسبت ضریب برش تسلیم کلی سازه به ضریب برش پایه متناظر با تشکیل اولین مفصل پلاستیک در سازه به دست آورد. عوامل موثری که در محاسبه این ضریب نقش دارند به شرح زیر می باشند.
1- ضرائب بار و ضرائب کاهش مقاومت مصالح
2- طراحی دست بالای اعضاء
3- سختی کرنشی
4- نامعینی سازه
5- شکل پذیری سازه
احتیاجات لرزه ای یا به عبارت دیگر ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیری که با نمایش داده می شود، می توان گفت از رفتار غیر خطی سازه که منجر به میرایی و استهلاک انرژی می شود، به وجود آمده است. فریمن جهت محاسبه ضریب کاهش نیرو روش زیر را ارائه گردیده است:
در هنگام وقوع زلزله هر چه رفتار سازه از حد ارتجاعی فراتر رود سختی آن کاهش یافته و میرایی افزایش می یابد، در واقع در هنگام زلزله با ایجاد مفاصل پلاستیک در اعضاء سازه، سازه شکل پذیر تر می شود و به تبع افزایش شکل پذیری زمان پریود ارتعاشی سازه و همچنین میرایی سازه افزایش پیدا خواهد کرد و در نتیجه ی تمام این فرایند ها، کاهش نیرو های وارد بر سازه را خواهیم داشت.
در صورتیکه زمان پریود اولیه سازه که می تواند زمان پریود محاسباتی یا زمان پریود به دست آمده از آیین نامه باشد را بنامیم و زمان پریود ناشی از تغیر سختی که سازه وارد مرحله غیر خطی شده است را بنامیم، مقدار از نسبت مقدار نیروی مورد نیاز برای سازه با طیف ظرفیت 5% میرایی با زمان پریود ارتعاش اولیه به مقدار نیروی مورد نیاز در میرایی غیر خطی 20% سازه به دست خواهد آمد.
طبق مطالب فوق توسط روش فریمن ضریب رفتار از رابطه (2-3) محاسبه خواهد شد.
(2-3)
که در رابطه فوق ضریب مقاومت افزون و ضریب کاهش نیرو می باشد.
2-3-1-2- روش شکل پذیری یوانگ
در سال 1991 توسط محقق آمریکایی یوانگ با استفاده از نمودار منحنی ظرفیت سازه برای محاسبه ضریب رفتار رابطه ای به صورت زیر معرفی نمود.
(2-4)
که در رابطه (2-4) کاهش نیرو در اثر شکل پذیری سازه که تسبت به و ضریب مقاومت افزون می باشد، در ادمه پارامتر های معرفی شده را به طور کامل تشریح می نماییم.
می توان با در نظر گرفتن رفتار کلی یک سازه متعارف طبق شکل(2-1) مقدار مقاومت ارتجاعی مورد نیاز، در صورتیکه سازه کلا" در محدوده ارتجاعی باقی بماند پارامتر تعریف کنیم.

شکل (2-1): نمودار منحنی ظرفیت یک سازه متعارف
به طور کلی می توان گفت طراحی صحیح سازه منجر به شکل پذیر تر شدن سازه خواهد شد، در این وضعیت سازه می تواند به حداکثر مقاومت خود که با پارامتر معرفی می شود، برسد. در نتیجه می توان گفت هرچه از مقاومت حداکثر اعضاء در هنگام آنالیز های لرزه ای استفاده شود طرحی بهینه تر حادث می شود.
در شکل(2-1) حداکثر تغیر شکل نسبی ایجاد شده در طبقه می باشد که می توان گفت محاسبه مقدار با مقاومت حد خمیری سازه یا مقاومت نهایی به هنگام ایجاد مکانیزم گسیختگی متناظر بوده و احتیاج به تحلیل غیر خطی دارد به همین علت برای مقدار به صورت مستقیم رابطه ای مشخص نگردیده است از اینرو جهت مقاصد طراحی در برخی از آیین نامه ها مقدار را به مقدار کاهش می دهند.
نمایشگر تشکیل اولین مفصل پلاستیک در کل سازه می باشد و مقدار آن ترازی است که در آن پاسخ کلی سازه به گونه قابل توجهی از محدوده ارتجاعی سازه خارج شده است.
اختلاف مقدار نیرو های و را اصطلاحا مقاومت افزون () تعریف می نمایند، طبق رابطه (2-5).
(2-5)
لازم به ذکر است به علّت اینکه در بعضی از آیین نامه های طراحی بتنی یا فولادی از روشهای بار مجاز استفاده می نمایند، از اینرو آیین نامه های طراحی لرزه ای مانند آیین نامه های 2800 ایران، UBC-1994 و SEAOC-1988 مقدار را به کاهش می دهد. نسبت ضریب رفتار به دست آمده در آیین نامه های UBC-1994 و SEAOC-1988 (که با نمایش داده می شود) و 2800 ایران (که با R نمایش داده می شود) به ضریب رفتار به دست آمده در مقررات UBC-1997 یا NEHRP-2000 حدودا" عددی بین 4/1 تا 5/1 می باشد.
مزیت استفاده روش فوق این است که طراح، تنها یک تحلیل ارتجاعی انجام میدهد و سپس با استفاده از آیین نامه های جاری، ابعاد المانهای سازه ای را تعین مینماید.
طی تحقیقات به عمل آمده به علّت استفاده ازبه جای دو مشکل ایجاد می شود که عبارتند از:
1- محاسب قادر نخواهد بود مقاومت سازه را تعیین کند، لذا در صورتی که مقدار مقاومتی که به صورت ضمنی در آیین نامه های زلزله برای مقدار ضریب کاهش فرض شده است (مقاومت افزون) تامین نشود، رفتار سازه در زلزله های شدید رضایت بخش نخواهد بود.
2- مقادیر تغیر مکانهای غیر ارتجاعی را نمی توان باتحلیل ارتجاعی خطی محاسبه نمود که آیین نامه ها معمولا" از ضرائب تشدید تغیر مکانهای ارتجاعی () استفاده می نمایند.
محاسبه رابطه (2-4) در بعضی از آیین نامه ها مثل UBC-1997 ، IBC-2000 ، NEHRP-2000 مطابق با تنش های در حالت حد نهایی است ولی مطابق بعضی از آئین نامه هایی چون 2800 ایران، UBC-1988 یا UBC-1994 و.... باید ضریبی به نام Y برای طراحی بر اساس تنش های مجاز در رابطه (2-4) ضرب شود.
ضریب Y بر اساس برخورد آیین نامه های مصالح با تنش های طراحی (بار مجاز یا بار نهایی) تعین می شود و مقدار آن نسبت نیرو در هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک () به نیروی پایه سازه دز هنگام ایجاد تنش های مجاز () می باشد.
(2-6)
طبق نتایج به دست آمده ضریب Y در محدوده 1.4تا 1.5 می باشد و برای مثال نتایج آیین نامه AISC-ASD1989 مطابق رابطه (2-7) برابر با1.44 می باشد.
(2-7)
در رابطه (2-7): Z مدول خمیری و S مدول ارتجاعی می باشد و اضافه تنش مجاز به هنگام اثر نیرو های زلزله است. می توان گفت مقدار 4/1 برای در نظر گرفتن ضریب بار مرده در آیین نامه بتن ACI-318 مشابه ضریب Y در رابطه (2-7) می باشد.
طبق پارامتر های تعریف شده فوق رابطه (2-8) برای محاسبه ضریب رفتار توسط روش یوانگ معرفی گردیده است.
(2-8)
2-3-2- روشهای اروپایی
در سالهای اخیر، پژوهشگران اروپایی نیز همگام با محققان آمریکایی به تحقیق در مورد برآورد ضرایب رفتار سازهها پرداخته اند. عمدتاً روشهایی که توسط اروپاییها مورد استفاده قرار گرفته به دو گروه تقسیم می شود: روشهای متکی بر تئوری شکل پذیری و روشهای انرژی. در ادامه این روشها به اختصار معرفی می شوند.
2-3-2-1- روش تئوری شکل پذیری
این روش که بر مبنای تئوری شکل پذیری استوار است اولین بار توسط کاسنزا و همکاران در سال 1986 معرفی شده است. در این روش، ضریب رفتار () با توجه به شکل (2-2)، از رابطه (2-9) بدست می آید:
(2-9)
در رابطه (2-9): : ضریب ارتجاعی بحرانی برای بارهای قائم و : پارامتر وابسته به زمان تناوب ارتعاش سازه است و از رابطه (2-10) بدست می آید:
(2-10)
با توجه به دو رابطه اخیر میتوان را از رابطه (2-11) بدست آورد:
(2-11)
جهت تکمیل روش فوق، در سال 1996، مازولانی با استفاده از نتایج حاصل از پاسخ سیستمهای یک درجه آزاد، رابطه (2-12) را برای پیشنهاد کرده است.
(2-12)
از این رو برای زمانهای تناوب بزرگتر از ثانیه، دارای مقدار ثابت و برای یک تابع خطی از زمان تناوب است.

شکل (2-2): مدل رفتاری ساده شده برای سیستم یک درجه آزاد [25]
2-3-2-2- روش انرژی
روش انرژی بر این فرض استوار است که حداکثر انرژی جنبشی ناشی از یک زلزله شدید با حداکثر انرژی که یک سازه قادر است جذب نماید، برابر است. معادله تعادل انرژی در یک سازه بصورت رابطه (2-13) است.
(2-13)
در رابطه (2-13): : حداکثر انرژی جنبشی قابل جذب و استهلاک در سازه، : انرژی ذخیره شده در سازه در مرحله تغییر شکل ارتجاعی، : انرژی ذخیره شده طی تغییر شکلهای غیرارتجاعی در سازه و کار انجام شده توسط نیروهای قائم در کل روند تغییر شکل سازه می باشد.
اگر طیف پاسخ شتاب زمین، در زلزله طراحی و انرژی جنبشی ناشی از آن نامیده شود، معمولاً می توان با اعمال یک ضریب آن را به شدیدترین زلزله طراحی، مرتبط کرد. با توجه به این موضوع، انرژی جنبشی ناشی از این زلزله مخرب که با استفاده از حداکثر شبه سرعت برآورده شده از طیف مشخص می گردد، توسط رابطه (2-14) به مرتبط می شود:
(2-14)
در نتیجه بنابر اصل تعادل انرژی ها، لازم است رابطه (2-15) برقرار باشد:
(2-15)
روشهای تحلیلی مفصل و پیچیده ای برای حل معادله فوق و استخراج ضرایب رفتار از آن وجود دارد که معروفترین آنها توسط کومو و لانی ارائه شده است. در اینجا به دلیل پیچیده و وقت گیر بودن این روشها از ذکر جزئیات آنها پرهیز می شود.
2-4- تشریح اجزای ضریب رفتار
2-4-1- شکل پذیری
2-4-1-1- ضریب شکل پذیری کلی سازه
در صورتیکه منحنی رفتار کلی سازه را اصطلاحا" به صورت منحنی الاستیک – پلاستیک (دو خطی) ایده آل نمائیم، طبق رابطه (2-16) ضریب شکل پذیری کلی سازه که با نمایش داده میشود محاسبه میشود:
(2-16)
بهتر است مقدار ضریب شکل پذیری کلی سازه ، که نماینگر ظرفیت استهلاک انرژی اجزا یا کل سازه است، از روشهای آزمایشگاهی تعیین نمود. رفتار کلی سازه که در شکل (2-1) نشان داده شده است، تنها مربوط به سیستم هایی است که می توانند انرژی را با یک رفتار پایدار مستهلک کنند، مانند قابهای مقاوم خمشی شکل پذیر ویژه، و برای سیستم های دیگر که کاهش شدید سختی و مقاومت دارند، تعریف تغییر مکان تسلیم و تغییر مکان حداکثر در رابطه (2-16) می تواند نادرست باشد. می توان گفت تعیین ضریب QUOTEμs به خصوص برای سازه های بلندتر از یک طبقه کار پیچیده ای است. برای محاسبه این ضریب غالباً از تغییر مکان نسبی طبقه به عنوان معیار تغییر مکان استفاده می‎شود (شکل 2-1).
2-4-1-2- ضریب کاهش نیرو توسط شکل پذیری
سازه ها توسط رفتار شکل پذیر مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را با رفتار هیسترتیک مستهلک می‎کنند، که مقدار این استهلاک انرژی، بستگی به مقدار شکل پذیری کلی سازه دارد. مقدار شکل پذیری کلی سازه نباید از شکل پذیری المانهای سازه فراتر رود. بدین منظور، هنگام طراحی لازم است حداقل مقاومت لازم سازه که شکل پذیری کلی آن را به حد شکل پذیری مشخص شده از قبل، محدود می‎کند، مشخص شود .
همان گونه که در قسمتهای قبل، توضیح داده شد، ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری (QUOTERμ ) طبق رابطه (2-17)، با نسبت مقاومت ارتجاعی مورد نیاز به مقاومت غیر ارتجاعی مورد نیاز تعریف می شود.
(2-17)
که در این رابطهQUOTEFy مقاومت جانبی مورد نیاز، برای جلوگیری از تسلیم سیستم بر اثر یک زلزله مشخص و مقاومت جانبی تسلیم مورد نیاز برای محدود کردن ضریب شکل پذیری کلی سازه به مقداری کمتر و یا برابر با ضریب شکل پذیری کلی از پیش تعیین شده (هدف یا QUOTEμi) وقتی که سیستم در معرض همان زلزله قرار گیرد، می باشد. به طور کلی، در سازه هایی که در هنگام وقوع زلزله رفتار غیر ارتجاعی دارند، تغییر شکلهای غیر ارتجاعی با کاهش مقاومت جانبی تسلیم سازه (یا با افزایش ضریب )، افزایش مییابند.
برای یک زلزله مشخص و یک ضریب معین، مشکل اساسی محاسبه حداقل ظرفیت مقاومت جانبی است که باید در سازه به منظور جلوگیری از به وجود آمدن نیازهای شکل پذیری بزرگتر از QUOTEμi، تأمین گردد. در نتیجه محاسبه برای هر زمان تناوب و هر شکل پذیری هدف، شامل عملیاتی تکراری است. بدین صورت که، مقاومت جانبی تسلیم () برای سیستم در نظرگرفته و سیستم تحلیل می‎شود، این ‎کار، تا زمانی ادامه می یابد که ضریب شکل پذیری کلی محاسبه شده ()با یک تولرانس مشخص، برابر ضریب شکل پذیری کلی هدف گردد و آنگاه مقاومت جانبی متناظر با این ضریب شکل پذیری، QUOTE μ=μiنامیده می‎شود.
برای تعیین ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری، روش کار بدین صورت است که مقاومت جانبی ارتجاعی QUOTE μ=μi و غیر ارتجاعی QUOTEμ=که برای یک سیستم با زمان تناوب مشخص به دست آمده، این مقادیر به وزن سیستم، نرمال می‎شوند. این نیرو ها برای زمانهای تناوب مختلف سازه به دست می آید و با توجه به آن، طیف خطی و طیف غیر خطی با ضریب شکل پذیری محاسبه می‎شود. از از تقسیم طیف خطی به طیف غیر خطی، مقدار ضریب کاهش بر اثر شکل پذیری برای آن زلزله بخصوص و ضریب شکل پذیری هدف، به دست می آید (شکل 2-3 )

شکل (2-3): طیف ارتجاعی و غیر ارتجاعی با شکل پذیری ثابت
یافتن رابطه بین وQUOTERμو μs برای سیستم های یک درجه آزادی موضوع پژوهشهای فراوانی در سالهای اخیر بوده است. از جمله کسانی که در این مورد تحقیق کرده اند، عبارتند از: کراوینکلرو نصر، میراندو و برترو، نیومارک و هال، لای و بیگز، ریدل و نیومارک، القادمسی و محرز، ریدل، هیدالگو و کروز، آریاس و هیدالگو، تسو و نائوموسکی، ویدیک، فایفر و فیشینگر، فیشینگر و فایفر، تسنیمی و محمودی، لی، هان و اوه، ال سلیمانی و روست، پنگ و همکاران و نهایتاً تاکدا و همکاران.
2-4-2- مقاومت افزون
هنگامی که یکی از اعضای سازه به حد تسلیم رسیده و اصطلاحاً در آن لولای خمیری تشکیل شود، مقاومت سازه از دیدگاه طراحی در حالت بهره برداری به پایان می رسد، ولی در حالت طراحی انهدام، پدیده فوق به عنوان پایان مقاومت سازه به حساب نمی آید، زیرا عضو مورد نظر همچنان می تواند با تغییر شکل غیر ارتجاعی، انرژی ورودی را جذب کند تا به مرحله گسیختگی و انهدام برسد. با تشکیل لولاهای خمیری، به تدریج سختی سازه با کاهش درجه نامعینی استاتیکی کاهش می یابد، و لی سازه همچنان پایدار است و قادر خواهد بود در مقابل نیروهای خارجی از خود مقاومت نشان دهد. وقتی که نیروی خارجی باز هم افزایش یابد، روند تشکیل لولاهای خمیری نیز ادامه یافته و لولاهای بیشتری در سازه پدید می آید تا جایی که سازه از نظر استاتیکی ناپایدار شده و دیگر توان تحمل بار جانبی اضافی را نداشته باشد.
مقاومتی که سازه بعد از تشکیل اولین لولای خمیری تا مرحله مکانیزم (ناپایداری) از خود بروز می دهد، مقاوت افزون نامیده می شود، در طراحی لرزه ای سازه ها مقاومت ارتجاعی مورد نیاز سازه را متناسب با مقاومت افزون آنها کاهش می دهند. برای این منظور، مقدار ضریب رفتار سازه ها متناسب با مقاومت افزون افزایش داده می شود تا مقاومت مورد نیاز کاهش یافته، محاسبه گردد.
سالهاست که پژوهشگران اهمیت مقاومت افزون را در جلوگیری از خراب شدن برخی سازه ها به هنگام رخداد زلزله های شدید شناخته اند. برای مثال، در زلزله سال 1985 مکزیک، وجود مقاومت افزون عامل بسیار مؤثری در جلوگیری از خرابی برخی ساختمانها بوده است. همچنین زلزله سال 1369 (ه.ش) رودبار و منجیل بسیاری از ساختمانهای 7-8 طبقه در شهر رشت که دارای اتصالات خُرجینی و شکل پذیری ناچیز بودند، بر اثر وجود مقاومت افزون (که عمدتاً به دلیل وجود عناصر غیر سازه ای، پارتیشن ها و نما ایجاد شده بود) از فرو ریختن کامل جان سالم به در بردند.
در مطالعات انجام شده بر روی میز لرزان برای ساختمانهای چند طبقه بتن مسلح و فولادی به وسیله پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در برکلی در سالهای 1984 تا 1989 نیز بر اهمیت ضریب مقاومت افزون تأکید شده است.
2-4-2-1- عوامل مؤثر در مقاومت افزون
مقاومت افزون یک سازه در واقع مقدار مقاومتی است که بر اثر عوامل مختلف در سازه ذخیره شده و انهدام سازه را به تأخیر می اندازد. ذیلاً به پاره ای از عوامل مؤثر در مقاومت افزون اشاره می شود.
1- بیشتر بودن مقاومت واقعی مصالح از مقاومت اسمی آنها
2- بزرگتر بودن ابعاد اعضا و مقادیر میلگرد از مقادیر مورد نیاز در طراحی
3- استفاده از مدلهای ریاضی ساده شده و محافظه کارانه در تحلیل ها
4- ترکیب های مختلف بار
5- مقاومت اعضای غیر سازه ای(نظیر دیوارهای میانقاب) و اعضای سازه ای (نظیر دالها) که در برآورده ظرفیت مقاومت جانبی به حساب نمی آیند.
6- افزایش مقاومت ناشی از محصور شدگی بتن
7- رعایت حداقل الزامات آیین نامه های طراحی در مورد محدود کردن تغییر مکانهای جانبی، تغییر شکلهای اعضاء، ابعاد مقاطع، عناصر تسلیح و فاصله خاموتها
8- استفاده از روش معادل استاتیکی در تحلیل لرزه ای سازه ها
9- باز توزیع نیروهای داخلی در محدوده غیر ارتجاعی بر اثر نامعینی سازه
10- صرف نظر از اثر بعد سوم در تحلیل های دو بعدی

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

11- افزایش مقاومت اعضای بتنی بر اثر سرعت بارگذاری (اثر نرخ کرنش)
12- نوع سیستم سازه ای
13- هندسه سازه و آرایش پلان
14- ارتفاع سازه (زمان تناوب ارتعاش)
15- آیین نامه طراحی
16- لرزه خیزی منطقه (نسبت بارهای جانبی به بارهای قائم)
17- ملاحظات معماری
18- سطح فرهنگ و تکنولوژی ساخت
2-4-2-2- چگونگی محاسبه مقاومت افزون
به دست آوردن مقادیر مقاومت افزون با در نظر گرفتن سهم تمام عوامل یاد شده، بسیار پیچیده بوده و نمی تواند در طراحی سازه ای، قابل اعتماد باشد. از این رو لازم است پاره ای از عوامل کیفی ثابت در نظر گرفته شود و عوامل کمی نیز دسته بندی شده و به عوامل مهم تر توجه گردد، سهم سایر عوامل نیز در ظرفیت سازه لحاظ شود.
برای تعیین مقدار ضریب مقاومت افزون می توان علاوه بر روشهای آزمایشگاهی، از روشهای تحلیلی نیز استفاده نمود. بدین منظور می توان از روشهای تحلیل استاتیکی غیر خطی(مانند روش تحلیل پوش آور، یا روش طیف ظرفیت)، استفاده کرد.
برای تعیین مقاومت افزون یک سازه، به این صورت عمل می شود که نیروهای ثقلی بر سازه اعمال شده و مقدار نیروی جانبی سازه با یک الگوی خاص (مثلاً الگوی مثلثی آیین نامه) به طور یکنواخت افزایش داده می شود و مقادیر برش پایه و تغییر مکان بام به طور مداوم ثبت می گردد. این عمل تا آنجا که اولین عضو سازه، جاری شده و در آن لولای خمیری به وجود آید، ادامه می یابد. افزایش نیرو بعد از این مرحله باعث باز توزیع نیروها در بقیه اعضا شده و سازه قادر به تحمل نیروی جانبی بیشتر می شود. نیروی جانبی مجدداً افزایش داده می شود تا در بقیه اعضا نیز لولای خمیری تشکیل شود و در صورتی تحلیل متوقف می گردد که سازه ناپایدار (مکانیزم) شود یا شکل پذیری محلی یکی از اعضا از حد مجاز تجاوز نماید(عضو گسیخته شود)، یا معیارهای تعریف شده دیگری حاکم گردد. در این حالت، از تقسیم حداکثر نیروی جانبی تحمل شده توسط سازه به نیروی حد جاری شدن اولین عضو در سازه (تشکیل اولین لولای خمیری)، ضریب مقاومت افزون به دست می آید (شکل 2-1 ).
2-4-2-3- استفاده از ضریب مقاومت افزون در ترکیبهای بارگذاری آیین نامهها
مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000، در یکی از ترکیبهای بار ویژه خود از ضریب مقاومت افزون استفاده میکند. در این مورد قید شده است که هرگاه در این مقررات تصریح شود که نیروهای طراحی لرزهای در اجزای سازه به آثار مقاومت افزون سازه حساس هستند، باید ترکیب بار به شرح رابطه های (2-18) و (2-19) به ترتیب برای حالتهایی که این آثار افزاینده یا کاهنده آثار، مورد استفاده قرار گیرد.
(2-18)
(2-19)
در رابطه های (2-18) و (2-19):
: اثر نیروهای افقی و قائم زلزله،: شتاب طیفی طراحی در زمانهای تناوب کوتاه که از مقررات NEHRP محاسبه میشود،: اثر بارهای مرده،: اثر نیروهای افقی زلزله و: ضریب مقاومت افزون سیستم است. همچنین جمله در رابطههای فوق، لازم نیست که از حداکثر نیروی به وجود آمده در عضو تحت تحلیل خمیری یا پاسخ غیر خطی، بیشتر باشد. ضمناً استفاده از این ترکیبات بار ویژه برای طراحی اجزای سازهای در گروه لرزهای A، لازم نمیباشد.
آیین نامه UBC-1997، در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را وارد کرده است. این ترکیب بار که در هر یک از جهت های افقی بارگذاری لرزهای باید اعمال شود، بصورت رابطه (2-20) است :
(2-20)
در رابطه (2-32): برابر حداکثر نیروی زلزله برآورد شده که در سازه به وجود خواهد آمد، ضریب افزایش نیروی زلزله ناشی از اثر مقاومت افزون و بار زلزله به واسطه برش پایه V است.
پآیین نامه IBC-2000 نیز در یکی از ترکیب های بارگذاری لرزهای خود، اثر ضریب مقاومت افزون را به صورت رابطه (2-33) وارد کرده است:
(2-33)
در رابطه فوق تعریف و مانند تعریف فوق برای آیین نامه UBC بوده، : اثر نیروهای افقی زلزله، : شتاب طیفی طراحی و: اثر بارهای مرده است.
2-4-2-3- تاریخچه اعدادی محاسبه شده برای مقاومت افزون
فریمن،ضرایب تقریبی مقاومت افزون را برای قابهای خمشی بتن مسلح چهار و هفت طبقه به ترتیب برابر با 8/2 و 8/4 برآورد کرده بودند.
یوانگ و معروف در سال 1993، دو ساختمانی را که زلزله سال 1989 لوما پریتا تجربه کرده بودند، مورد تحلیل قرار دادند: یک ساختمان 13 طبقه با قاب فولادی و یک ساختمان 6 طبقه بتن مسلح با قابهای خمشی پیرامونی. ضرایب مقاومت افزون برای این دو ساختمان پس از اعمال اصلاحات به منظور منعکس کردن اثر طراحی بر اساس مقاومت، به ترتیب 4 و 9/1 گزارش شد.
هوانگ و شینوزوکا در سال 1994، یک ساختمان بتن مسلح چهار طبقه با قاب خمشی میانی را که در ناحیه لرزه خیزی 2 آیین نامه UBC قرار داشت، مورد مطالعه قرار دادند. برش پایه طراحی برای این ساختمان W0.09 بود. حداکثر مقاومت جانبی ساختمان W0.62 محاسبه شد که در صورت عدم محدودیت برای آسیب سیستم، ضریب مقاومت افزون 2/2 به دست آمده بود. (اگر سطح عملکرد در طراحی «بدون آسیب» انتخاب شده بود، ضریب مقاومت افزون تقریباً 6/1 می شد).
برترو و تیلمو در سال 1999 اثر نامعینی و باز توزیع نیرو های داخلی را در طراحی مقاوم لرزه ای مورد مطالعه قرار دادند، نتیجه این مطالعات آن شد که باز توزیع نیرو های داخلی می تواند اثرات مفیدی بر پاسخ سازه در هنگام وقوع زلزه داشته باشد و مسئله مقاومت افزون کاملا وابسته به شکل پذیری می باشد.
با مقایسه مقادیر به دست آمده توسط پژوهشگران مختلف برای سازه های متفاوت چنین به نظر می رسد که پراکندگی در مقادیر گزارش شده برای ضریب مقاومت افزون قابل توجه و برای استفاده در طراحی حرفه ای زیاد است. بدیهی است که برای توسعه ضرایب مقاومت افزون با قابلیت اعتماد کافی که بتواند در آیین نامه های طراحی لرزه ای به کار رود، به مطالعات ویژه در مورد هر یک از سیستم های سازه ای با شرایط مختلف، نیاز است.
2-4-3- درجه نامعینی
نامعینی سیستم های سازه ای مفهوم مهمی است که از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده است. پس از مشاهده تخریب تعداد زیادی از سیستم های سازه ای با درجات نامعینی کم، در زلزله های 1994 نورتریج و 1995 کوبه، موضوع نامعینی سازه ای، به شکل جدی تری مطرح شد. تاکنون تعریفها و تفسیرهای متفاوتی از نامعینی سازه ای، که وابسته به عدم قطعیت نیز و ظرفیت سازه هاست، ارائه شده است. از این رو، استفاده از مفاهیم عدم قطعیت، مبنای یکی از روشهای مطالعه نا معینی سیستم های سازه ای تحت بارهای لرزه ای است.
در سال 1978، کرنل برای در نظرگرفتن عدم قطعیت در سیستم های سازه ای، ضریبی بنام ضریب نامعینی پیشنهاد کرد. این ضریب به عنوان احتمال شرطی گسیختگی سیستم معرفی و اولین گسیختگی را که ممکن بود در هر یک از اعضای سازه های سکوی دریایی رخ دهد، مشخص می‎کرد.
هنداوی و فرانگوپل در سال 1994، یک ضریب نامعینی احتمالاتی را پیشنهاد کردند. ضریب پیشنهادی این پژوهشگران به صورت نسبت احتمال تسلیم اولین عضو منهای احتمال انهدام، به احتمال انهدام سیستم تعریف می‎شد.
برترو پدر و پسر در سال 1999 برای اندازه اندگیزی نامعینی سازه‎های قابی تحت اثر حرکتهای زمین ناشی از زلزله، از مهفوم «درجه نامعینی» استفاده کردند. درجه نامعینی که این پژوهشگران مورد استفاده قرار دادند به عنوان تعداد نواحی بحرانی یا لولاهای خمیری در سیستم سازه‎ای تعریف می ‎شود که مقدار قابل توجهی از انرژی هیسترتیک خمیری را قبل از انهدام سازه مستهلک می‎نمایند. در پژوهش های شده، اثرهای مقاومت افزون، ضرائب تغییرات نیاز و ظرفیت و دیگر عوامل، بررسی شده و چنین نتیجه گیری شده است، که جدا کردن نامعینی از عوامل دیگر دشوار است.
در ATC-19 و ATC-34 به منظورکمّی کردن قابلیت اعتماد سیستم های قاب لرزه ای، ضرایبی به عنوان ضرایب نامعینی پیشنهاد شده است.
آیین نامه ساختمانی متحدالشکل (UBC)و مقررات NEHRP، از سال 1997 یک ضریب QUOTEρ با عنوان ضریب قابلیت اعتماد / نامعینی معرفی کرده اند که در نیروی جانبی زلزله برای طراحی ضرب می شود. در آیین نامه ساختمانی بین المللی (IBC) سال 2000 نیز چنین ضریبی آورده شده است. در پی این بررسی ها گفته شده است که برای رسیدن به ضریب نامعینی کمی و قابل قبول که بتواند در ارزیابی سازه ها و نیز طراحی مورد استفاده قرار گیرد، به تحقیقات و تجربیات گسترده ای نیاز است.
2-4-3-1- تئوری قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای
نتایج نخستین پژوهشی که در رابطه با استفاده از مفهوم قابلیت اعتماد در سیستم های سازه ای و ارتباط آن با درجه نا معینی این سیستم ها انجام شد، طی پروژه - ریسرچای در سال 1974، توسط موسز(موسی) منتشر گردید. گر چه مبنای این تحقیقات و یافته های آن بر اساس بارگذاری لرزه ای بررسی کرده اند از نتایج کارهای موسز استفاده شده و دستاوردهای این محقق برای بارگذاری لرزه ای نیز تعمیم یافته است.
برای یک طراحی ایمن، موضوع قابلیت اعتماد، غالباً متوجه عضوهایی نظیر تیرها و ستونها می باشد.ضرایب اطمینان طراحی که به این ترتیب به دست می آیند، این تضمین را می دهند که احتمال خرابی عضو در برش، خمش، و نیروی محوری کوچک باشد. این در حالی است که این اجزا عموماً بخشی از یک سیستم سازه ای را تشکیل می دهند و اندر کنش بین عضو و سیستم سازه ای از قابلیت اغتماد یک عضو سازه ای بیشتر است یا کمتر؟ پاسخ به این سؤال به عواملی مانند، درجات نامعینی استاتیکی، شکل پذیری، خصوصیات مودهای خرابی و پیکربندی سیستم سازه ای وابسته است.
تا کنون از دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای، که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی سازه ای می توانند مفید باشند، استفاده شده است. در ادامه دو مدل قابلیت اعتماد سازه ای که در شناسایی و تحلیل سیستم های واقعی مفید باشند، مطرح خواهد شد. یک سیستم سازه ای ممکن است دارای اعضای موازی، سِری یا ترکیبی از این دو باشد. در سیستم های سری با خرابی هر عضو،کل سیستم دچار خرابی می گردد و بدین لحاظ به آن، سیستم ضعیف ترین اتصال گفته می شود. سازه های معین استاتیکی مثالهایی از این نوع سیستم ها هستند.
در سیستمهای موازی پس از خرابی عضوی خاص، توزیع مجدد نیرو در اعضای انجام می پذیرد و این عمل آنقدر ادامه می یابد تا سیستم دچار انهدام شود. بدین لحاظ به سیستم موازی، سیستم ایمن- زوال نیز گفته می شود. این سیستم در تحلیل انهدام سازه های نامعین استاتیکی که خرابی در آنها هنگامی رخ می دهدکه چندین عضو به ظرفیت مقاومت خود برسند، مورد استفاده قرار می گیرد.
اینکه چندین عضو به ظرفیت مقاومتی خود برسند، حاکی از آن است که سیستم به نوعی دارای مقاومت همبسته است، این موضوع را نشان می دهند که متغیرهای تصادفی مقاومت، به گونه ای به یکدیگر مرتبط اند که اگر مقاومت یک عضو، مثلاً بیشتر از مقدار میانگین خود، بیشتر باشند. این همبستگی ممکن است بر اثر وجود منابع مشترک مصالح، تشابه روش ساخت، روشهای کنترل و بازرسی، و شاید تعبیر یکنواختی مقاومتها توسط طراح پدید آید. فرض استقلال مقاومتها به مفهوم عدم همبستگی بین آنهاست.
در سیستم های موازی، استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه کاهش عدم قطعیت مقاومت کلی افزایش می‎دهد. خلاف این موضوع برای سیستم های سری صادق است. در سیستم های سرس استقلال مقاومتها، ایمنی را به واسطه افزایش احتمال آنکه با خرابی یک عضو خاص، کل سیستم خراب شود، کاهش می دهد.
مدلهای موازی و سری، تنها الگوهای ایده آل هستند و اکثر سازه ها ترکیبی از این مدلها می باشند. برای مثال، در یک ساختمان چند طبقه، هرستون واقع در یک طبقه ساختمان چند طبقه، هر ستون واقع در یک طبقه در برابر بار جانبی، مانند قسمتی از یک سیستم موازی عمل می‎کند، در حالی که هر طبقه ساختمان قسمتی از یک سیستم سری را تشکیل می‎دهد.
هنگامی که عدم قطعیت در بارگذاری مطرح باشد، مقایسه مدلها تا حدی مخدوش می شود. یعنی چنانچه عدم قطعیت در بار خارجی (مثلاً بیان شده بر حسب ضریب تغیرات بار، VR خیلی بیشتر از عدم قطعیت در مقاومت (VR) باشد)، احتمال خرابی توسط VL کنترل می‎شود و رفتار سیستم خواه سری باشد یا موازی و خواه همبسته باشد یا مستقل، تأثیر کمی بر روی احتمال خرابی خواهد داشت. به عنوان مثال، اگر گرد بادی که احتمال وقوع آن خیلی کم است بر ساختمانی که برای بارهای معمولی باد طرح شده است اثر کند، سازه صرف نظر از نوع پیکر بندیش خراب خواهد شد. در حالت متداول تر بارگذاری که در آن، طراح به طور ویژه استراتژی حفاظتی در برابر بارهای نهایی از قبیل طوفان یا زلزله را مد نظر قرار داده باشد، پیکر بندی سازه و نوع سیستم در ارزیابی قابلیت اعتماد مؤثر خواهد بود. از دیگر نکاتی که روی اندر کنش عضو و سیستم سازه اثر می‎گذارد، رفتار عضو پس از رسیدن به ظرفیت اسمی اوست. یک عضو شکل پذیر، تراز نیروی خود را در صورت ادامه تغیر مکان، کاهش می‎یابد. از این رو، در اکثر سازه هایی که اعضای ترد دارند، رفتار سازه صرف نظر از هندسه پیکربندی، همانند سیستم های سری می‎باشد. به عبارت دیگر، خرابی هر عضو باعث خرابی سیستم خواهد شد. تنها سازه های با درجه نامعینی استاتیکی بالا که دارای ضریب اطمینان اسمی بزرگی نیز باشند، به اندازه کافی طرفیت مقاومتی ذخیره خواهند داشت تا پس از خرابی عضوی ترد بتوانند توزیع مجدد نیرو کرده و به انتقال بار ادامه دهند.
2-4-3-2- اثر نامعینی سازه ای در آیین نامه های مختلف
همانگونه که در جدول (2-2) اشاره شد، موسز ضریب کاهش مقاومت میانگین را متناسب با عکس جذر تعداد شرطهای مقاومتی مستقل (لوله های خمیری در یک سیستم با امکان حرکت جانبی) برای قابهای نامعین مقاوم، پیشنهاد کرده بود. در 19-ATC، فرض شده است که برای تأمین نامعینی کافی در هر یک از جهت های اصلی سازه یک ساختمان، حداقل چهار ردیف قابهای لرزه ای قائم که از نظر مقاومت و تغییر شکل سازگار باشند، لازم است. از این رو، با در نظر گرفتن هر یک از ردیفهای قاب لرزه ای قائم به عنوان یک شرط مقاومتی در حرکت جانبی، مقادیر جدول(2-2) به دست خواهد آمد. این آیین نامه، ضریب نامعینی را به عنوان بخشی از فرمولاسیون ضریب رفتار پیشنهادی خود قلمداد کرده و آن را در ردیف ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری و ضریب مقاومت افزوم قرار داده است.
جدول (2-1): مقادیر ضرایب نامعینی در ATC-19 و مقادیر محاسبه شده از پیشنهاد موسزتعداد ردیفهای قاب لرزه بر ضریب نامعینی ATC-19 ضریب محاسباتی از پیشنهاد موسز
2 71/0 707/0
3 86/0 866/0
4 00/1 00/1
در مورد نامعینی سازه ها ذکر این نکته ضروری است که اگر طراحی سازه ای برای نیروهای وارد بر آن به صورت کاملاً بهینه صورت گرفته باشد، ممکن است لولاهای خمیری به صورت متوالی تشکیل نشده و تعداد زیادی از لولاها همزمان تشکیل گردند، در چنین حالتی درجات نامعینی شازه به یکباره کاهش قابل ملاحظه ای یافته و از اعتماد به پایداری آن کاسته می‎شود. در تفسیر مقرراتNEHRP سال 2000 نیز قید شده است که عدم تشکیل لولاهای خمیری به صورت متوالی و مناسب در سازه هایی که بهینه سازی می‎شوند، موجب می‎گردد که مقادیر، پارامترهای طراحی برای تأمین عملکرد مناسب در این سازه ها کافی نباشد. گرچه روشهای برخورد با نامعینی سازه ها متفاوت است، ولی نکته قابل توجه درتمام روشها گستردگی دامنه تغییرات ضریب درجه نامعینی سازه ها است. بدین معنی که، در یک نوع سیستم سازه ای بدون تغییر در مصالح و اجرای آن، تنها عامل نامعینی می تواند اعتماد به پایداری سازه در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله، و به تبع آن ضریب رفتار سازه را به شدت تحت تأثیر قرار دهد.
این مسئله هشداری است برای سازه هایی که با وجود نامعینی کم، با استفاده ا زضرایب رفتار توصیه شده در آیین نامه، طراحی و اجرا می‎شوند.
در سه آیین نامه NEHRP، UBC،IBC، اثر نامعینی به طور غیر مستقیم وارد شده است، زیرا در صورتی که تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله(اعضایی که برش طبقه بین آنها توزیع می‎شود) زیاد بوده و اختلاف ظرفیت باربری آنها کم باشد، ضمن اینکه برش طبقه بین تعداد بیشتری از اعضا تقسیم می‎شود، نسبت برش عضو به طبقه نیز کاهش می‎یابد. در این صورت، مقدار ضریب قابلیت اعتماد/ نامعینی کاهش خواهد یافت، در حالی که اگر تعداد اعضای مقاوم در برابر زلزله، کم بوده یا ظرفیت باربری آنها اختلاف زیادی با هم داشته باشد، سهم تعدادی از اعضا(که مقاومت بیشتری دارند) از برش طبقه زیاد شده و متناسب با آن مقدار ضریب قابلیت اعتماد یا نامعینی افزایش خواهد یافت. از این رو، طرح به گونه ای غیر مستقیم وادار می‎شود تا از تعداد اعضای مقاوم بیشتر و یکنواخت تری در سازه و بویژه در دو سوم پایانی ارتفاع سازه استفاده کند. در آیین نامه ها، ضریب نامعینی، در ترکیبات بارگذاری لرزه ای دخالت داده شده است. مبنای این ضریب، تقسیم برش طبقه به صورت نسبتاً یکنواخت بین تعداد زیادی از اعضای بابر است. این تعداد به مساحت طبقه بستگی دارد و با افزایش مساحت، طراح ملزم می‎شود از اعضای باربر بیشتری برای مقابله با بارهای جانبی زلزله استفاده کند، یا درغیر این صورت، جریمه آن را که تحمل ضرایب بزرگتری در ترکیبات بار است، بپذیرد. در روش موسز، تنها یک ضریب برای کاهش مقاومت متناسب با جذر تعداد شرطهای مقاومتی یا لولاهای خمیری دریک سیستم نامعین پیشنهاد شده است.
2-4-3-3- آثار درجه نامعینی بر پاسخ لرزه ای سازه ها
مطابق مطالعات برترو، در نظر گرفتن نامعینی آثار سودمندی در پاسخ سازه ها به حرکتهای زلزله دارد. به هر حال، هر یک از اثرها می تواند و باید در جای مناسب خود در فرآیند طراحی لحاظ شود و نبایستی با ضریب کاهنده Rs ناشی از مقاومت افزون یا اثر احتمالاتی نامعینی بر قابیت اعتماد سیستم، غلط شود. برخی از اثرهای نامعینی بر پاسخ لرزه ای به صورت زیر است.
الف- کاهش تأثیر اندازه در اجزای سازه ای این بدان معنی است که استفاده از تعداد عناصر کمتر برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، به استفاده از اعضا، گره ها و اتصالات با ابعاد بزرگتر منجر می‎شود و این امر به کاهش دوران خمیری و ظرفیت اتلاف انرژی می‎انجامد.
ب- کاهش نیاز شکل پذیری و تغییر مکان ناشی از پیچش غیر ارتجاعی.
ج- گسترش اتلاف انرژی بین عناصر متعدد و اجتناب از تمرکز آسیب.
برای بهره گیری از سودمندیهای نامعینی در سازه، لازم است به موارد زیر توجه شود:
الف- ضرایب تغییرات نیازهای سازه های نسبت به ضرایب تغییرات ظرفیتها کاهش یابد.
ب- مقاومت افزون افزایش یابد.
ج- ظرفیت دوران لولاهای خمیری(شکل پذیری) افزایش یابد.
د- یک ظرفیت دوران حداقل (ظرفیت دورانی بیش از نیاز دوران ضربدر یک ضریب اطمینان)
در تمام اعضای سیستم سازه ای تضمین شود. در این صورت، اعضا بدون خرابی می توانند از تغیر مکانها تبعیت کرده و به اجزای دیگر اجازه بدهند که انرژی ورودی را مستهلک نمایند.
2-5- محاسبه ضریب رفتار توسط آنالیز تاریخچه زمانی
در سالهای اخیر یوانگ برای به دست آوردن ضریب رفتار توسط آنالیز های دینامیکی روابطی را به صورت زیر پیش نهاد نموده است.

–29

و
همسر مهربان و صبورم

چکیده:
استفاده از منابع توان پالسی در فرآیندهای مختلف پلاسما با توجه به ارتباط برقرار شده بین آنها رو به افزایش است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده در این مورد، طراحی منابع توان پالسی با هدف کاهش تلفات و افزایش راندمان، می تواند تاثیرات مهمی درکاربردهای پلاسما داشته باشد. اساس فناوری سیستم توان پالسی بر پایه ذخیره انرژی زیاد در زمان نسبتا طولانی و آزاد کردن خیلی سریع آن می باشد که هدف از فرآیند آزاد سازی انرژی، افزایش توان لحظه ای آن است. از ویژگی های بارز منابع توان پالسی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان، پیچیدگی ها و ریزه کاری آن است. بهبود راندمان و قابلیت اطمینان در منابع توان پالسی با توجه به کاربرد آن در پلاسما، ارتباط اساسی با مشخصات سیستم های توان پالسی دارد. این پژوهش یک توپولوژی جدید مبتنی بر مبدل باک- بوست اصلاح شده (مثبت) در ورودی مدار منبع توان پالسی پلاسما پیشنهاد می دهد. بر اساس این توپولوژی در محدوده ای مشخص در منبع توان پالسی پلاسما، مجموعه ای از کلید- دیود- خازن به صورت متوالی اتصال دارند که جهت تولید ولتاژ و dv/dt بالا به کار می رود. مولفه های کلیدی توپولوژی پیشنهادی برای افزایش قابلیت اطمینان و راندمان عبارتنداز: ساختارتوپولوژی جدید مبتنی بر مبدل DC-DC ، استفاده از روش کنترلی مناسب(منبع ولتاژ) و تعیین مقدار انرژی ذخیره شده در المان های اصلی مدار (سلف و خازن). بنابراین توپولوژی ارائه شده به آسانی قابلیت تنظیم، ارتقا و توسعه با دامنه وسیعی درکاربردهای متنوع منابع توان پالسی را دارا می باشد. توپولوژی پیشنهادی مطرح شده با توجه به تاثیر مولفه های کلیدی آن، با دقت کامل از اجرای شبیه سازی در محیط نرم افزار MATLAB/SIMULINK به دست آمده است که با بررسی نتایج شبیه سازی، کارایی و قابل اجرا بودن این توپولوژی را جهت انجام اهداف مورد نظر که همان تولید پالس های قدرت بالا با ولتاژ زیاد و بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی پلاسما است، تائید می کند .
واژه‌های کلیدی:
توپولوژی ،پلاسما ، قابلیت اطمینان و راندمان ،منبع توان پالسی، مبدل باک- بوست مثبت .
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما 1
1.1مقدمه
2.1 آشنایی با پلاسما
1.2.1 منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان پلاسما
3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
4.1 مبانی عملکرد منابع توان پالسی پلاسما
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
1.2.4.1 بانک خازنی
2.2.4.1 مولد مارکس
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس (PEN)
5.4.1 خط انتقال بلوملین (BLUMLEIN)
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
6.1 نتیجه گیری
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده درپلاسما
1.2 مقدمه
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc - dc
1.2.2.2 مبدل باک (Buck)
2.2.2.2 مبدل بوست (Boost)
فهرست مطالب
عنوان 3.2.2.2 مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
4.2.2.2 مبدل کاک (Cuk)
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
3.2 روش های کنترلی مورد استفاده در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3.2روش کنترلی منبع ولتاژ
2.3.2روش کنترلی منبع جریان
4.3.2 روش کنترلی پسماند
4.2 نتیجه گیری
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.3 مقدمه
2.3 طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت
1.2.3 آرایش مداری توپولوژی پیشنهادی
2.2.3 حالت های کلید زنی توپولوژی پیشنهادی
3.2.3 تحلیل مداری توپولوژی پیشنهادی
4.2.3 محاسبه مقدارdv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
3.1.3 محاسبه مقادیر المان های منابع توان پالسی پلاسما
2.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده منابع توان پالسی پلاسما
3.3.3 محاسبه انرژی ذخیره شده در حالت استفاده از خازن اضافی در منابع توان پالسی پلاسما
فهرست مطالب
عنوان 4.3 طراحی استراتژی کنترلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
1.4.3 تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
2.4.3 طراحی و تحلیل روش کنترلی منبع ولتاژ برای توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
5.3 نتیجه گیری
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
1.4 مقدمه
2.4 روند شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی برای منبع توان پالسی پلاسما
1.2.4 تعیین مقادیر المان و مولفه های اصلی منابع توان پالسی پلاسما
2.2.4 روش مدل سازی بار در توپولوژی پیشنهادی
3.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
4.2.4 شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی در حالت دو طبقه
3.4 تخمین انرژی ذخیره شده در منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
4.4 شبیه سازی dv/dt تولید شده ناشی از کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
5.4 نتیجه گیری

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

فصل پنجم - بحث و نتیجه گیری
- نتیجه گیری
- مراجع
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
شکل(1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شکل (1-3) نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
شکل (1-10) آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ شکل(2-2)مبدل باک (Buck) شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-4)مبدل بوست (Boost)
شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-6)مبدل باک - بوست (Boost -Buck)
شکل(2-7) شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت ( Positive Buck-Boost )
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل (2-9) مبدل کاک (Cuk)
شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
شکل (2-14) توپولوژی های کنترلی مورد استفاده در یک منبع توان پالسی پلاسما
شکل (2-15)روش کنترلی منبع ولتاژ در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-16)روش کنترلی منبع جریان مورد استفاده در منابع توان پالسی پلاسما
شکل(2-17)روش کنترلی حلقه جریان پسماند برای کنترل جریان سلفی در منابع توان پالسی پلاسما
شکل (2-18) روش کنترلی پسماند برای منابع توان پالسی پلاسما
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل(3-1) شمای کلی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت منبع توان پالسی
شکل (3-2) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با یک مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-3) منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی با دو مجموعه کلید- دیود- خازن
شکل (3-4) مدل سازی توپولوژی پیشنهادی جهت تحلیل حالات کلیدزنی در منبع توان پالسی
شکل(3-5) حالت کلیدزنی شارژ شدن سلف در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-6) حالت کلیدزنی عبور جریان سلفی در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-7) حالت کلیدزنی شارژ همزمان خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-8) حالت تامین بار در توپولوژی پیشنهادی
شکل(3-9) حالت کلید زنی شارژ جداگانه خازن ها در توپولوژی پیشنهادی
شکل (3-10) فلوچارت کنترلی پیشنهادی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع
توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
شکل (4-1) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – یک طبقه
شکل(4-2) شبیه سازی روش کنترلی منبع ولتاژ در توپولوژی پیشنهادی
شکل(4-3) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه: (الف) کلید Ss (ب) کلید S1
شکل(4-4) مولفه جریان کلید بارSL توپولوژی پیشنهادی در حالت یک طبقه
شکل (4-5) شبیه سازی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی – دو طبقه
شکل(4-6) مولفه ولتاژ توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی همزمان: (الف) خازنC1 یا کلید S1 (ب) خازنC2 یا کلید S2 (ج) کلید SL
شکل(4-7) مولفه های اصلی توپولوژی پیشنهادی - دو طبقه درحالت کلید زنی جداگانه: (الف) ولتاژ خروجی (ب) جریان سلفی (ج) جریان خروجی(بار) IL (د) ولتاژ ورودی
شکل (4-8) شبیه سازی پیشنهادی جهت تخمین میزان انرژی ذخیره شده
شکل(4-9) تخمین انرژی ذخیره شده در توپولوژی پیشنهادی: (الف)انرژی ذخیره شده در سلف (ب) انرژی ذخیره شده درخازن (ج) انرژی ذخیره شده در بار
شکل(4-10) جریان خازنی در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
فهرست جدول ها
عنوان صفحه ه
فصل اول- آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ - جریان حالت dc پلاسما
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
جدول(1-3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
فصل دوم- بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
فصل سوم - طراحی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول( 3-1) شاخص های کلیدی توپولوژی های مورد استفاه در منایع توان پالسی پلاسما
فصل چهارم- شبیه سازی توپولوژی پیشنهادی مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
جدول (4-1) مقادیرمولفه و المان های اصلی منبع توان پالسی پلاسما مبتنی بر توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-2) مقادیر dv/dt تولید شده در حالت کلیدزنی گذرای توپولوژی پیشنهادی
جدول(4-3) خلاصه ای از مقایسه بین دو آرایش مختلف توپولوژی پیشنهادی منبع توان پالسی پلاسما
2
2
3
5
5
6
8
10
11
14
15
17
18
18
19
20
20
20
22
22
23
25
صفحه
26
28
30
32
34
35
35
36
37
39
40
41
42
42
44
48
51
51
52
53
54
صفحه
55
55
56
58
59
60
61
61
62
62
63
65
67
69
70
72
73
76
3
4
6
8
8
9
9
10
11
16
17
22
23
24
25
26
27
28
28
29
29
30
31
34
35
36
37
38
38
42
43
43
44
45
46
47
47
48
57
63
64
64
65
65
66
67
68
69
70
4
6
7
13
13
15
32
32
41
62
70
71
لیست علایم و اختصارات
AC ) Alternating Current جریان متناوب (
BJT ) Bipolar Junction Transistorترانزیستور پیوند دو قطبی (
CCM ) Continuous-Conduction-Modeحالت هدایت پیوسته (
CDVM ( Capacitor-Diode Voltage Multiplier)تقویت کننده ولتاژ دیود و خازن
CSR ) Converter Series Resonanمبدل تشدید سری (
DC ) Direct Currentجریان مستقیم (
EMI ) Electromagnetic Interferenceتداخلات الکترومغناطیسی (
EMC ) Electromagnetic Compatibilityسازگاری الکترومغناطیسی (
HV ) High Voltageولتاژ بالا (
IGBT ) Insulated Gate Bipolar Transistorترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده (
MBL )Multistage Blumlein Linesخطوط بلوملین چند طبقه ای (
MFC ) Magnetic Flux Compressorکمپرسور شار مغناطیسی (
MG ) Marx Generatorمولد مارکس (
MOSEFET ) Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistorترانزیستورنیمه هادی اکسید فلزی با اثر میدان(
MPC )Magnetic Pulse Compressorکمپرسور پالس مغناطیسی (
MVM ) Multilevel Voltage تقویت کننده ولتاژ چند سطحی (
PEF ( Pulsed Electric Fieldمیدان الکتریکی پالسی (
PFC ) Power Factor Correctorsتنظیم کننده های ضریب قدرت (
PFN ) Pulse Forming Networkشبکه شکل دهی پالس (
SMPS (Switched-Mode Power Supply)روش کلید زنی منابع توان پالسی
ZCS )Zero Current Switchingکلید زنی جریان صفر (
ZVS ) Zero Voltage Switchingکلید زنی ولتاژ صفر (
فصل اول

آشنایی با ساختار منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.1مقدمه
اساس فناوری سیستم توان پالسی بر پایه ذخیره انرژی زیاد در زمان نسبتا طولانی و آزاد کردن خیلی سریع آن می باشد که هدف از فرآیند آزاد سازی انرژی، افزایش توان لحظه ای آن است. از مشخصه های کلیدی منابع توان پالسی می توان به سطح ولتاژ و مدت زمان افزایش آن که بر مبنای مشخصات بار مورد نیاز تعیین می شود، اشاره کرد]1[. روش های سازگاری منابع توان پالسی با بارهای متفاوت توسط تکنولوژی موجود، یکی از بحث های کلیدی فناوری سیستم توان پالسی مورد استفاده در پلاسما می باشد. استفاده از دانش پیشرفته و رویکردهای اخیر در الکترونیک قدرت و نیمه هادی ها به حساب سطح نیازمندی صنعتی و علمی آن است که باعث پیشرفت سریع منابع توان پالسی در دهه اخیر شده است.از ویژگی های بارز منابع توان پالسی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان آن، پیچیدگی ها و ریزه کاری آن است]2[. کنترل بهینه روند تولید توان در منابع تولید توان پالسی یک روش مهم و حیاتی برای افزایش راندمان می باشد. از سوی دیگر استفاده از منابع توان پالسی با ولتاژ بالا نیازمند کلیدهای قدرت بالا می باشد که ولتاژ شکست و زمان کلید زنی آن محدودی است.
2.1 آشنایی با پلاسما
واژه "پلاسما" برای اولین بار در سال 1927 توسط ایروین لانگمویر برای یک توده خنثی از ذرات باردار به کار رفت]3[. پلاسما را می توان با ایجاد یک اختلاف پتانسیل بین دو الکترود در یک محیط گازی بوجود آورد. میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترودهای آند و کاتد، باعث یونیزاسیون ذرات گاز خنثی و ایجاد مسیر هدایت می شود. در شکل(1-1) نمونه ای از الکترودها را نشان داده شده است. ساده ترین حالت، خطوط میدان الکتریکی بین آند و کاتد که در آن میدان الکتریکی تقریبا یکنواخت است، به اندازه و شکل الکترودها(دو الکترود مسطح با یک شکاف کوچک در میان شان است) بستگی دارد]4[.

شکل(1-1) نمایی از الکترودهای بکار رفته در پلاسما
1.2.1 منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان پلاسما
شکل (1-2) منحنی دشارژ گازی ولتاژ – جریان الکترودها را در حالت dc نشان می دهد]5[. این منحنی دارای چند ناحیه می باشد که نام نواحی در جدول (1-1) به صورت خلاصه بیان شده است. ناحیه دشارژ تاریک پلاسما، که در آن دشارژ شروع می شود. هر چند که برای ایجاد حالت شکست، این دشارژ به صورت کافی ذرات را تحریک نمی کند. به این دشارژ تاریک می گویند زیرا که در این حالت دشارژ هیچ گونه انتقال انرژی به الکترون ها صورت نمی گیرد تا منجر به انتشار نور مرئی شود. در دشارژ تاریک با یونیزاسیون، یون ها والکترون ها به تنهایی اشعه های کیهانی و اشکال دیگری از آن (مانند اشعه یونیزه کننده طبیعی) که با افزایش ولتاژ همراه است، تولید می کند. در حالت اشباع با یونیزاسیون، تمام ذرات باردار حذف و الکترون ها به علت یونیزاسیون انرژی کافی ندارند. در حالت تاونزند با شروع یونیزاسیون، میدان الکتریکی ایجاد و جریان و ولتاژ به صورت نمایی افزایش می یابد]6[. بین حالت تاونزند و شکست در پلاسما، ممکن است تخلیه کرونا صورت گیرد که در نتیجه میدان الکتریکی بر روی لبه های تیز الکترود متمرکز می شود. تخلیه کرونا می تواند به صورت مرئی یا تیره باشد که به میزان جریان عبوری از آن بستگی دارد. ناحیه دشارژ تابشی با حالت شکست شروع می شود و با تشکیل قوس الکتریکی به پایان می رسد. به طور عمده فرآیندهایی که منجر به شکل گیری حالت شکست و دشارژ تابشی می شود را می توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد: (الف) فرآیندهای گازی پلاسما، که در آن یونیزاسیون از برخورد الکترون و یون صورت می گیرد. (ب) فرآیندهای کاتدی پلاسما، که در آن الکترون ها از کاتد آزاد می شوند. به این فرآیند، به علت ایجاد الکترون در آن، فرآیند ثانویه نیز می گویند]7[. با مطالعه مقالات منتشر شده در این مورد می توان دریافت که جنس کاتد تاثیر زیادی درایجاد حالت شکست دارد. توسط فرآیند ثانویه می توان انواع انرژی تابشی را بصورت فتوالکتریک که در آن انرژی نوری باعث آزاد شدن الکترون ها می شود انتشار داد. در این مورد می توان به حالت گرما یونی در پلاسما نیز اشاره کرد، که در آن انرژی حرارتی باعث ایجاد الکترون و منجر به تولید میدان الکتریکی می شود. جرقه های ناشی از دشارژ در این حالت بسیار شدید است و دارای درخشندگی و چگالی جریان زیادی می باشد. قوس های ناشی از دشارژ را می توان معادل چگالی جریان زیاد در حد کیلو آمپر در سانتیمتر مربع در نظر گرفت. هرچند که شدت طبیعی قوس می تواند عامل فرسایش سریع تر الکترودها شود]9،8[.

شکل(1-2)منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
جدول(1-1) شرح نواحی منحنی دشارژ گازی ولتاژ-جریان حالت dc پلاسما
شماره 1 2 3 4 5 6 7 8 9
نواحی دشارژ تاریک دشارژ تابشی حالت جرقه ای حالت یونیزاسیون حالت اشباع حالت کرونا حالت تاونزند حالت شکست حالت تابشی
شماره 10 11 12 13
نواحی حالت تابشی غیر عادی حالت انتقالی از تابشی به جرقه حالت حرارتی حالت حرارتی با جرقه
3.1 جنبه های کاربردی منابع توان پالسی در پلاسما
اولین کاربرد منابع توان پالسی در دهه 1960 در نیرو گاه های هسته ای و تسلیحات هسته ای برای تولید پالس های با ولتاژ مگاولت و توان های تراوات (1 تراوات، 1000 گیگاوات است) و عرض پالس های چند ده نانو ثانیه تا چند صد نانو ثانیه برای تحریک شتاب دهنده های الکترونی پلاسما بوده است]10[. محدودیت عناصر ذخیره کننده انرژی و نبود تکنولوژی کلیدزنی پالس قدرت، مانع از گسترش آن در حوزه های عمومی تر شده بود. اما هم اکنون با توسعه این منابع و بهبود تکنولوژی ساخت خازن ها، اندوکتانس ها و کلیدها، بسیاری از مشکلات در تولید پالس های قدرت، با انرژی بالا و قیمت مناسب برطرف شده است. اخیرا یکی از اهداف اصلی و کلیدی جهت افزایش راندمان و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی ،استفاده مکرر از مولدهای توان پالسی باحداکثر توان در صنایع از جمله : صنعت مواد غذایی، معالجات پزشکی، آب و فاضلاب (تصفیه آب و...)، تولیدگازهای ازن ،بازیافت بتن ، سیستم احتراق ماشین بخار و کاشت یون در پلاسما می باشد]11[. رایج ترین موارد استفاده از منابع توان پالسی می توان به : مولد مارکس ، کمپرسورهای پالسی الکترومغناطیسی ، عایق کاری ، خطوط انتقال و شکل دهی پالس اشاره کرد. هر چندکه مولدهای توان پالسی نیز با حداکثر توان به صورت وسیعی در مصارف نظامی و گداخت هسته ای مورد بهره برداری قرار می گیرد. هم چنین میدان های الکتریکی پالسی کاربردهای مستقیم و غیر مستقیم بسیاری در صنعت دارند و اخیرا کاربرد این میدان ها در استریلیزه کردن مواد غذایی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است]12[. خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی مورد نیاز برای کاربردهای متفاوت در جدول(1-2) شرح داده است.
4.1مبانی عملکرد منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
اصول فناوری توان پالسی، از ذخیره سازی انرژی بیش از یک مدت زمان طولانی (معمولا ثانیه یا دقیقه) و سپس فرآیند تخلیه انرژی الکتریکی را در طول کوتاه تر از زمان ذخیره انرژی (معمولا میکروثانیه یا نانوثانیه)انجام پذیرد.
جدول (1-2) خلاصه ای از مشخصات منابع توان پالسی برای کاربردهای مختلف
ردیف کاربردها انرژی الکتریکی طول پالس حداکثرتوان پالس توان متوسط
1 فیزیک پلاسما با چگالی انرژی بالا 20 مگا ژول 10 نانو ثانیه کمتر از ده ترا وات 5 گیگا وات
2 رادیو گرافی با پرتو الکترونی قوی 200 کیلو ژول 70 نانو ثانیه بیشتر از یک ترا وات 10 گیگا وات
3 مایکروویو توان بالا (باندباریک) 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 100 گیگا وات 100 کیلو وات
4 مایکروویو توان بالا (باندخیلی پهن) 10 ژول 1 نانو ثانیه 10 گیگا وات 10 کیلو وات
5 تبدیل مواد با پرتو الکترونی 10 کیلو ژول 100 نانو ثانیه 30 گیگا وات اندک
6 بیو الکتریک 1 میلی ژول 100 نانو ثانیه 10 کیلو وات تا 100 مگا وات چند میلی وات تا چند وات

ساده ترین شکل سیستم های توان پالسی با توجه به شکل(1-3) شامل: یک منبع انرژی الکتریکی، ذخیره ساز میانی انرژی و بار است که مرحله تشکیل پالس بین آنها قرار دارد. سیستم توان پالسی در مرحله تشکیل پالس دارای یک کلید قدرت بالا است که می تواند انرژی ذخیره شده را به بار یا یک سیستم پیچیده تر (شامل شبکه ای از کلید های قدرت بالا) انتقال دهد.
بار
شکل دهنده پالس
ذخیره ساز میانی
منبع انرژی
کلیدکلید

شکل (1-3)نمای کلی از ساختار منابع توان پالسی
با بررسی مطالعاتی درباره تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما، می توان با توجه به عملکرد و کارایی، آنها را در 5 بخش اصلی خلاصه کرد که به شرح ذیل می باشد:
1.4.1مشخصات پالس های قدرت بالا در منابع توان پالسی
همان طور که می دانید هر سیستم توان پالسی متشکل از یک منبع، شبکه ذخیره کننده انرژی، تجهیزات شکل دهنده پالس، کلید و بار الکتریکی است. منبع انرژی را در برخی از کاربردها می توان باتری در نظر گرفت که به شبکه ذخیره کننده انرژی متصل و سپس در ارتباط با تجهیزات شکل دهنده پالس قرار می گیرد و پس از کلید زنی به صورت پالس ولتاژ بالا بر روی بار تخلیه می گردد]13[. با توجه به سطوح مختلف توان الکتریکی مورد نیاز، فناوری تولید توان پالسی به دو شاخه پالس های کم قدرت و قدرت بالا تقسیم می شود. پالس های قدرت بالا مرتبط با پالس هایی است که توانی در حد چند مگاوات یا بیشتر دارند که محدوده کمیت های فیزیکی این گونه پالس ها در جدول (1-3) به اختصار بیان شده است. تولید و کنترل پالس های قدرت بالا، نوعی فناوری پیشرفته و پیچیده به شمار می رود و به ابزارها و تکنیک های خاصی جهت انجام آزمایش ها نیازمند است. در سیستم های توان پالسی انرژی به صورت الکتریکی ذخیره و به بار درطی یک پالس و یا پالس های کوتاه با نرخ تکرار کنترل شده ای تخلیه می گردد. مقدار قدرت میدان الکتریکی، شکل پالس، مدت پالس و تعداد پالس ها و... بیشترین تاثیر را بر راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی دارد.
جدول(1- 3) دامنه پالس های تولید شده در منابع توان پالسی
ردیف کمیت فیزیکی محدوده کمیت فیزیکی
1 انرژی (ژول) 101 -107
2 توان (وات) 106 -1014
3 ولتاژ(ولت) 103 -107
4 جریان (آمپر) 103 -107
5 چگالی جریان (آمپر برمترمربع) 106 -1011
6 عرض پالس(ثانیه) 5-10 -10-10
با بالا و پایین رفتن شکل موج ولتاژ، طول مدت پالس بین چند نانوثانیه و یا چند میکرو ثانیه اندازه گرفته می شود. به عنوان نمونه در شکل (1-4) منحنی یک پالس قدرت بالا را نشان داده شده است. زمان صعودی پالس، مدت زمان لازم برای رسیدن ولتاژ از10% به 90% ( مقدار ماکزیمم) تعریف می شود و می توان زمان نزولی را به روشی مشابه تعریف کرد.که هر دو زمان (صعودی و نزولی) یک پالس قدرت بالا به امپدانس بار بستگی دارد]14[.
در چند دهه اخیر فناوری تولید پالس های ولتاژ بالا توسط کمپرسورهای پالس مغناطیسی با توجه به کاربردهای گوناگون آن در حوزه منابع توان پالسی بسیار حائز اهمیت است . شکل (1-5) یک نمونه رایج از این نوع کمپرسورها را نشان می دهد.

شکل (1-4) منحنی مشخصات یک پالس تولید شده در منابع توان پالسی
توپولوژی های مختلفی می توان برای منابع توان پالسی با توجه به ادوات الکترونیک قدرت، مولدهای پالسی و کمپرسورهای پالس مغناطیسی در نظر گرفت . که از جمله می توان به طراحی یک منبع توان پالسی مبتنی بر کمپرسور جریان مغناطیسی خطی و شبکه شکل دهی پالس بلوملین برای ادوات الکتریکی نظامی (از جمله : شوک دهنده ها) اشاره کرد]15[.

شکل(1-5) نمونه ای از کمپرسور پالس مغناطیسی
2.4.1ذخیره سازی انرژی الکتریکی
انرژی مورد نیاز منابع توان پالسی عموما از منابع انرژی کم توان جمع آوری و به مرور ذخیره می شود. متناسب با کاربردها و احتیاجات، ذخیره انرژی به شکل خازنی ، سلفی یا ترکیبی از این دو است. ذخیره سازی انرژی خازنی، معمولا توسط تعدادی از خازن های ولتاژ بالا که اتصال آنها به صورت موازی یا سری است ، تشکیل می شود. حالت اول را بانک خازنی که در شکل (1-6) و حالت بعدی را مولد مارکس می نامند.که در شکل (1-7) نمونه ای از مولد مارکس را نشان داده است]16[.

شکل (1-6) نمونه ای از بانک خازنی بکار رفته در منابع توان پالسی
در هر دو حالت، خازن ها به صورت موازی شارژ می شوند و معمولا به عنوان منبع جریان استفاده می شوند. مولدهای مارکس، ولتاژ و جریان بالا را فراهم می سازند بنابراین در منابع توان بالای پالسی پلاسما به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل(1-7) نمونه ای از مولد مارکس مورد استفاده در منابع توان پالسی
برای ذخیره سازی اندوکتیو انرژی از القاگرهای مغناطیسی استفاده می شود. بر خلاف حالت ذخیره سازی خازنی که انرژی مستقیما با بستن کلید به بار منتقل می شود در این حالت نخست انرژی از ذخیره ساز القایی (که در این حالت می تواند یک سیم پیچ باشد) عبور کرده و سپس به بار منتقل می شود. برای تحویل انرژی ذخیره شده سلفی به بار، با باز کردن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و با بار اتصال موازی دارد ، نیاز است. برای تحویل انرژی ذخیره شده خازنی به بار، با بستن یک کلید قدرت بالا که جریان مدار نیز از آن عبور می کند و اتصال سری با بار دارد ، نیاز است . شکل (1-8) مدارهای اصلی این دو حالت را نشان می دهد. برای بهبود پالس تولید شده می توان از این دو حالت به صورت ترکیبی در شرایط گوناگون با توجه به مشخصات بار مورد نیاز استفاده کرد.

شکل (1-8) مدارهای اصلی مورد استفاده در منابع توان پالسی با المان های ذخیره ساز انرژی
1.2.4.1 بانک خازنی
در بانک های خازنی برای تولید پالس های سریع، مطلوب است که میزان اندوکتانس مدار در وضعیت حداقل قرار گیرد. چندین راه برای کاهش اندوکتانس سیستم توان پالسی وجود دارد: برای مثال، می توان به استفاده از خازن های با ظرفیت کم، انتخاب ابعاد مناسب برای خطوط انتقال و سیم های رابط، استفاده از کلیدهای موازی چند کاناله و... اشاره کرد. مزیت استفاده از کلید چند کاناله این است که جریان عبوری از هر کلید به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و در نتیجه طول عمر کلید افزایش خواهد یافت لیکن هزینه ها افزایش می یابد. در این حالت، عملکرد هم زمان کلیدهای قدرت بالا سیستم توان پالسی پلاسما که به صورت موازی با هم اتصال دارند، ضروری است و در غیر این صورت ، سیستم به خوبی کار نخواهد کرد.برای حل این مشکل می توان از مدارکنترلی خارجی استفاده کرد به گونه ای که هریک از کلیدها از خارج سیستم فعال شوند که در شکل (1-9) نشان داده است.
به منظور دست یابی به ولتاژهای خروجی بالاتردر سیستم های توان پالسی پلاسما، بانک های خازنی اغلب به صورت دوقطبی شارژ می شوند که در آن نصف خازن ها به طور مثبت و نصف دیگر به صورت منفی شارژ و سپس به صورت متوالی دشارژ می شوند. در نتیجه ولتاژی بدست می آید که دو برابر ولتاژ ورودی سیستم است. در حالت شارژ دو قطبی، می توان از آرایش تک کلیدی یا چند کلیدی استفاده نمود. اما استفاده از آرایش چند کلیدی در شرایطی که عملکرد مکرر سیستم توان پالسی به صورت پیوسته مورد نیاز است، مفیدتر است.زیرا که در عملکرد مکرر سیستم اگر تمام جریان از یک کلید عبور کند ، خرابی الکترودهای آن مشکل آفرین خواهد بود]17[.

شکل(1-9) نمونه ای از بانک خازنی با کلیدهای چندکاناله
2.2.4.1 مولد مارکس
در حوزه پالس های قدرت بالا، تقاضا برای مولدهای مارکس زیاد است. این نوع ژنراتورها باید قادر به تامین ولتاژهای بالا و جریان های زیاد باشند. هم چنین شاخصه های کلیدی اجزای آن دارای قابلیت اطمینان و طول عمر بالا و در عین حال به صورت فشرده می باشد به گونه ای که بتوان مجموعه ای از مولدهای مارکس را بدون استفاده از فضای زیاد مورد استفاده قرار داد. در مولد مارکس مانند بانک های خازنی از خازن ها برای ذخیره سازی انرژی استفاده می گردد، اما در این حالت تمام خازن ها هنگام دشارژ به طور لحظه ای اتصال سری پیدا می کنند. بنابراین از مولد مارکس نه فقط به عنوان یک ذخیره ساز انرژی ، بلکه به صورت یک تقویت کننده ولتاژ نیز مورد استفاده قرار می گیرد]18[. اگر مولد مارکس متشکل از N طبقه باشد در این حالت ولتاژ خروجی N برابر ولتاژ ورودی می گردد. حال اگر تعداد زیادی طبقات برای افزایش ولتاژ استفاده شود، قابلیت اطمینان سیستم توان پالسی کاهش می یابد. هم چنین برای افزایش جریان ، از خازن های بزرگ نیز استفاده می شود، با توجه به فشردگی سیستم و طول عمر کلیدها با مشکلاتی در این زمینه روبرو خواهیم شد. تکنیک شارژ دوقطبی یک روش عملی است که امکان استفاده از طبقات زیاد را در شرایط کم حجم بودن سیستم فراهم می سازد. یک راه حلی که می توان برای افزایش قابلیت اطمینان مولد مارکس توان پالسی با توجه به تعداد زیاد طبقات آن ارائه داد، عبارت است از انتخاب α و β با توجه به رابطه (1-1)، به گونه ای که هر دو مقدار افزایش یابند و هم چنین استفاده از پالس کنترلی قدرتمند برای راه اندازی مدارات کنترلی هر یک از کلیدهای سیستم توان پالسی نیز موثر است.
(1-1)
*که در رابطه فوق ، Vsb : ولتاژشکست ، Vch : ولتاژشارژ، Vtr : ولتاژپالس کنترلی است.
انواع متفاوتی از مولدهای مارکس برای کاربردهای خاصی طراحی می شوند. یکی از آنها، مولدمارکس نواری است که برای ایجاد پالس های ولتاژ پایین طراحی می شود. در این نوع مولدهای مارکس، از خطوط انتقال نواری شکل به جای خازن های ذخیره ساز انرژی استفاده می گردد. یعنی خطوط انتقال نواری به صورت موازی شارژ و به صورت متوالی دشارژ می شوند. بنابراین هر خط انتقال برای تولید پالس های ولتاژی پله ای شکل می باشد و از این رو اتصال سری آنها به عنوان یک مولد پالس سریع عمل می کند. قابلیت تولید پالس سریع ، یکی از مزیت های اصلی این نوع مولدها به شمار می رود. اشکال عمده مولدهای مارکس نواری، ابعاد نسبتا بزرگ آنها است و به دلیل ساختار هندسی خاص، امکان فشرده سازی برای این نوع مولدها امکان پذیر نیست. در جدول (1-4) مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری به اختصار بیان شده است]19[.
نوع دیگری از مولد مارکس که قادر به تولید پالس سریع است، مولد مارکس قطعه ای نامیده می شود. که از تعدادی قطعات یکسان تشکیل گردیده است که به راحتی به یکدیگر متصل یا از هم جدا می شوند.
جدول (1-4)مشخصات دو مدل از مولد مارکس نواری
ردیف مشخصات مدلI مدلII
1 تعداد طبقات 50 100
2 ولتاژ پیک پالس(کیلوولت) 400 1000
3 جریان پیک پالس (کیلو آمپر) 4 4
4 پهنای پالس (نانو ثانیه) 40 40
5 امپدانس منبع(اهم) 125 250
این ویژگی امکان تنظیم تعداد طبقات مورد نیاز را برای کاربر فراهم می سازد. هر طبقه متشکل از تعدادی خازن سرامیکی است که به صورت موازی با یکدیگر اتصال پیدا می کنند تا اندوکتانس سیستم توان پالسی کاهش یابد. با توجه به ظرفیت کم خازن های سرامیکی، معمولا چنین مولدهایی به عنوان منابع جریان زیاد در سیستم توان پالسی عمل می کنند، اما امکان تنظیم ولتاژ خروجی را نیز فراهم می سازند. جدول (1-5) مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733 نشان داده است. ویژگی های اصلی مولد مارکس قطعه ای عبارت است از:
الف ) خازن ها در مرحله ذخیره سازی همگی به صورت موازی اتصال دارند به گونه ای که اندوکتانس در به حداقل می رسد.
ب) یک کلید خلا قدرت بالا با زمان کلیدزنی سریع برای کنترل پهنای پالس مورد استفاده قرار می گیرد ]20[.
جدول (1-5)مشخصات مولد مارکس قطعه ای مدلA 43733
ردیف مشخصات مدل A 43733
1 تعداد طبقات مستقل 12
2 ولتاژ شارژ(کیلوولت) 25
3 ولتاژ خروجی(کیلوولت) 300
4 جریان خروجی (کیلو آمپر) 5
5 پهنای پالس (نانو ثانیه) 30
6 راندمان ولتاژ (درصد) %50
3.4.1 اصول کلید زنی در پلاسما
در کاربردهای توان پالسی قدرت بالا به کلیدهایی نیاز است که توانایی تحمل توان تا حد تراوات و زمان شکست الکتریکی آن در گستره نانو ثانیه واقع شود. کلیدهای معمولی از قبیل نمونه هایی که در کاربردهای عادی ولتاژ بالا مورد استفاده قرار می گیرند جهت برآورده کردن این نیازها مناسب نیستند. بنابراین توسعه انواع جدید کلیدها بر مبنای تکنولوژی انتقال انرژی در پلاسما اجتناب ناپذیر است. کلیدهای قدرت بالا به دو گروه کلیدهای باز و بسته تقسیم می شوند.
همان طور که در مقدمه ذکر شد، در سیستم های توان پالسی پلاسما مهم ترین المان در قسمت شکل گیری پالس، کلید قدرت بالا هستند. هم چنین برای انتقال مقادیر زیادی از انرژی ذخیره شده با دامنه بالا و طول پالس کوتاه به سر بار نیز استفاده می شود، بنابراین با توجه به مشخصات بار، این کلیدها باید دارای ویژگی کار با ولتاژ وجریان زیاد (با سطح ولتاژی بین 10 کیلوولت تا چند مگاولت) و دامنه زمان صعودی کوتاه( درحد نانو ثانیه تا چند میکرو ثانیه) را داشته باشند. برای چندین دهه است که کلیدهای پلاسمایی را با مشخصه انتقال انرژی خوب و قابلیت تحمل بالای ولتاژ آن می شناسند. از کلیدهای پلاسمایی نوع بسته را می توان به اسپارک گپ های گازی، ایگنترون ها،تایترون ها و... اشاره کرد که برای بررسی جزئیات بیشتر می توان به منابع مراجعه کرد]21,22[
استفاده از کلیدهای حالت جامد پلاسمایی به صورت کمپکت با تجهیزات جانبی(مدارات کنترلی و ...) با توجه به کارایی مطلوب آن در بازه زمانی طولانی ، دامنه کاری وسیع آن و عمر مفید بالای کلیدها با توجه به نرخ خرابی کم در این کلیدها که منجر به افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی می شود، روبه افزایش است. با این حال قابلیت های فعلی این کلیدها از جمله : ولتاژ شکست و حداکثر جریان عبوری، هنوز هم قادر به تحمل پارامترهای کلیدی سیستم های توان پالسی بزرگ و پیچیده مورد استفاده در پلاسما نمی باشند. جدول (1-6) به طور خلاصه به برخی از پارامتر های اصلی کلیدهای گازی نوع بسته پلاسمایی مانند اسپارک گپ ها و ... هم چنین برای کلیدهای حالت جامد مانند تریستور، IGBT و ماسفت اشاره می شود.
ردیف
نوع کلید حداکثر جریان (کیلو آمپر) ولتاژ شکست
(کیلو ولت) افت ولتاژ مجاز
(ولت)
1 اسپارک گپ 1000-10 100 20
2 ایگنترون 10-1 30 150
3 تایترون 100-5 35 200
4 تریستور 50-1 5-1 2
5 IGBT 1 1 3
6 ماسفت 0.1 1 1
جدول(1-6) کلیدهای نیمه هادی با حالت گازی در منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
در سیستم های توان پالسی بستن کلیدهای پلاسمایی که در حالت عادی باز هستند، برای تحریک مدار به کار می رود. شکل کلی این نوع کلیدها به صورت دو الکترود با یک عایق در میان آن می باشد. به طور کلی تحریک کلیدها با افزایش بار حامل عایق های میانی آن به نوع کلید و ساختار گوناگون آن بستگی دارد. با توجه عملکرد بار حامل در این کلیدها، حالت شکست یا عمل بسته شدن کلید انجام می پذیرد.
4.4.1 شبکه های شکل دهی پالس
در سیستم توان پالسی پلاسما دو هادی الکتریکی که بین آنها ولتاژ اعمال شود و بتواند جریان الکتریکی را انتقال دهد، به عنوان خط انتقال در نظر گرفته می شود. در بسیاری موارد هیچ تمایز مشخصی بین خط انتقال و یک مدار الکتریکی عادی وجود ندارد. که در این حالت دو عامل طول هادی ها و طول موج ولتاژ اعمالی تعیین کننده است. اگر طول موج ولتاژ اعمال شده در مقایسه با طول هادی ها بسیار بلند باشد می توان دو هادی را به عنوان یک مدار الکتریکی در نظر گرفت در غیر این صورت باید آنها را در قالب خط انتقال مورد تحلیل قرار داد. خطوط استاندارد انتقال در سیستم های توان پالسی، که به صورت تجاری تولید می شوند و معمولا از نوع هم محور هستند، دارای امپدانس 50 اهم هستند. البته دست یابی به دیگر امپدانس ها با ایجاد خطوط شکل دهی پالس نواری امکان پذیر است. اگر این خطوط در ولتاژ های بالایی قرارگیرند این روش، هزینه بر و مشکل است. مشکل دیگر مربوط به سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی در خطوط انتقال است. می دانیم که سرعت انتشار متناسب با نفوذپذیری نسبی یا ثابت دی الکتریک ماده ای است که برای عایق کاری بین دو رسانای سازنده خط به کار برده می شود. ماده ای که به طور متداول مورد استفاده قرار می گیرد، نوعی پلاستیک پلیمر مانند پلی پروپیلن است که ثابت دی الکتریک آن تقریبا کوچک است. از این رو سرعت انتشار موج بر روی این خط در حدود 108*2 متر در ثانیه و معادل 20 سانتیمتر در هر نانو ثانیه است. بنابراین برای ایجاد یک پالس به طول یک میکرو ثانیه با استفاده از یک خط شکل دهنده پالس، به خط انتقالی معادل 100 متر نیاز خواهد بود. برای تولید پالس های طولانی استفاده از این روش امکان پذیر نیست مگر آن که از خط های نواری که با موادی با ثابت دی الکتریک بالا عایق بندی شده اند، استفاده گردد.
یکی از روش های تحلیل و بررسی شبکه های شکل دهی پالس، شبیه سازی خط با استفاده از شبکه نردبانی متشکل از سلف و خازن ها است که در شکل (1-10) نشان داده است. انرژی آزاد شده از این خط که ناشی از پالس های مربعی است معمولا در خازن های شبکه نردبانی ذخیره می شوند.این شبکه به عنوان یک شبکه تغذیه کننده ولتاژ نیز شناخته می شود. با توجه به امکان ذخیره سازی مغناطیسی انرژی در القاگر های شبکه، در این حالت به آن شبکه تغذیه کننده جریان نیز می گویند. اطلاعات بیشتر در مورد مشخصات امپدانسی، معادلات تبدیل و ویژگی های انتشار و... در یک شبکه نردبانی LC را می توان درمرجع ]23[ مشاهده کرد.

شکل (1-10)آرایش مختلفی از شبکه نردبانی مورد استفاده در شبکه های شکل دهی پالس
5.4.1 خط انتقال بلوملین
یک ایراد مهم شبکه های شکل دهی پالس در سیستم توان پالسی پلاسما آن است که در شرایط تطبیق امپدانس ، دامنه پالس روی بار الکتریکی برابر با نصف دامنه ولتاژ شارژ کننده است. این مشکل را می توان با استفاده از خط شکل دهنده پالس بلوملین برطرف کرد. یک خط انتقال بلوملین از دو خط انتقال ساده که به یکدیگر متصل شده اند، تشکیل می گردد. این دو خط به صورت موازی باردار و به صورت سری تخلیه می شوند. در صورت صحت اتصالات در ورودی و بار ، دامنه ولتاژ خروجی در آنها تا دو برابر سطح ولتاژ خروجی یک خط انتقال خواهد رسید. خط بلوملین را می توان به صورت استوانه ای یا به شکل صحفه ای موازی ساخت. در بیشتر کاربردهای پالس های قدرت بالا، فضای بین استوانه ها با نوعی دی الکتریک مایع ، نظیر روغن یا آب پر می شود. یک کلید در بین استوانه های میانی و داخلی برای کنترل ولتاژ خط وجود داردکه در شکل(1-11) نشان داده شده است. شعاع استوانه ها را به گونه ای انتخاب می شوند که امپدانس مشخصه در تمام طول خط یکنواخت باشد و ولتاژ مورد نیاز تامین گردد. معمولا بار الکتریکی بین استوانه های داخلی و خارجی متصل می شود و تغذیه ولتاژ ورودی از طریق استوانه میانی صورت می گیرد. به طور ایده آل خط بلوملین را به گونه ای طراحی می کنیم که دارای ولتاژ و جریان خروجی زیاد ،با راندمان انتقال انرژی وتوان نزدیک به یک باشدکه در نتیجه باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ابعاد آن می شود.

شکل (1-11) آرایش خط انتقال بلوملین
5.1 اهداف مورد بررسی در این پژوهش
بهبود قابلیت اطمینان و راندمان در منابع توان پالسی با توجه به کاربرد آن در پلاسما ارتباط اساسی با مشخصات سیستم های توان پالسی دارد. اخیرا با توجه به استفاده متعدد از منابع توان پالسی در حوزه های صنعتی و هسته ای ، تحقیقات و بررسی زیادی در مورد استفاده بهینه فناوری توان پالسی صورت گرفته است. با توجه به مطالعات صورت گرفته در این زمینه ، این پایان نامه، یک توپولوژی جدید مبتنی بر مبدل باک – بوست مثبت را پیشنهاد می کند که می توان با مدل کردن یک منبع جریان در منابع توان پالسی، امکان کنترل شدت جریان را در حالت تغذیه بارداشته باشیم. بخش اصلی در این آرایش استفاده از کلید های نیمه هادی با ولتاژ کاری مناسب برای تولید ولتاژ های بالا می باشد. در خروجی این توپولوژی تعداد مشخصی از کلید – دیود – خازن به منظور تبادل انرژی منبع جریان با توجه به نوع ولتاژ و تولید توان پالسی کافی با مقدار ولتاژی مناسب طراحی شده است. با شبیه سازی در محیط نرم افزاری MATLAB/SIMULINK، کارایی و قابلیت اجرا بودن این توپولوژی به اثبات رسیده است که بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منبع توان پالسی از مزایای کاربردی و مهم آن است
6.1 نتیجه گیری
در این فصل ابتدا به بررسی فناوری سیستم های توان پالسی و حوزه های کابردی آن پرداخته شد و سپس جهت آشنایی با محیط پلاسما منحنی ولتاژ- جریان مورد تحلیل قرار گرفت و در انتها تکنولوژی های به کار رفته در منابع توان پالسی پلاسما با توجه به آرایش ساختاری شان ارائه شد. با توجه به اهمیت بهبود راندمان و قابلیت اطمینان منابع توان پالسی ، در فصل بعدی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی پلاسما مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد و توپولوژی پیشنهادی با توجه به تاثیر آن در افزایش قابلیت اطمینان و راندمان انتخاب می شود.

فصل دوم

بررسی توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما

1.2 مقدمه
استفاده از منابع توان پالسی در فرآیندهای مختلف پلاسما با توجه به ارتباط برقرار شده بین آنها رو به افزایش است. با توجه به تحقیقات به عمل آمده در این مورد، طراحی منابع توان پالسی با هدف کاهش تلفات و افزایش راندمان می تواند تاثیرات کلیدی درکاربردهای پلاسما (از جمله تصفیه سازی مایعات و...) بگذارد. برای درک بهتر از ماهیت منابع توان پالسی و اثرات متقابل آن برحوزه های توسعه یافته پلاسما، با طراحی یک منبع توان پالسی که متشکل از المان های الکترونیک قدرت می باشد می توان روند استفاده از منابع توان پالسی در پلاسما را ارتقا داد.
2.2 توپولوژی های موجود برای منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما
تکنولوژی کلیدهای قدرت بالا با توجه به نوع کاربرد آن در منابع توان پالسی پلاسما و نسبت به تغییر و تحولات صورت گرفته در عرصه فناوری قطعات نیمه هادی الکترونیک قدرت، متفاوت و گوناگون هستند. تریستور IGBT,،ماسفت و ... نمونه ای از کلیدهای قدرتی هستند که به عنوان کلیدهای نیمه هادی حالت جامد شناخته می شوند. در منابع توان پالسی پلاسما برای داشتن dv/dt بالا، نیاز به کلید زنی سریع (کلیدزنی آن حالت گذرای کوچکی داشته باشد) است و این مشخصه ، نقش کلیدی در شکل گیری توپولوژی منابع توان پالسی پلاسما دارد. درکلیدهای قدرت بالا مورد استفاده در سیستم های توان پالسی، بازه زمانی کلید زنی با حالت گذرا و روند جابجایی و انتقال سیگنال عبوری آن از نانو ثانیه تا میکرو ثانیه است. کلیدزنی گذرا مستقیما برروی کارایی و قابلیت اطمینان سیستم های توان پالسی تاثیر می گذارد و از هدایت الکتریکی ادوات نیمه رسانا سیستم جلوگیری می کند. اکثر منابع توان پالسی مورد استفاده در پلاسما مشخصات مقاومتی – خازنی دارند. بنابراین در توپولوژی پیشنهادی یک منبع جریان برای تامین بارها ضروری است. در این فصل به بررسی توپولوژی های موجود و روش های کنترلی آن می پردازیم :
1.2.2 توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس
معمولا ازکلیدهای گازی اسپارک گپ مغناطیسی در کلید زنی منابع توان پالسی پلاسما مورد استفاده قرار می گرفت اما اخیرا با توجه به استفاده گسترده از تکنولوژی حالت جامد در مولدهای مارکس توان پالسی، عملکرد سیستم را از لحاظ راندمان و قابلیت اطمینان بهبود بخشیده است. شکل (2-1) نمونه ای از مولد مارکس را در در حالت شارژ و دشارژ نشان داده است. برای آشنایی با کارایی این توپولوژی در پلاسما به چند مورد از کاربردهای آن با شرح توضیحات اشاره می شود. از مولد مارکس در این توپولوژی می توان به عنوان منبع تحریک در پلاسما استفاده کرد. مدار ارائه شده در این حالت از دو مولد مارکس حالت جامد با اتصال موازی با استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی به عنوان کلید بسته استفاده می شود. در این توپولوژی زمان بازدهی ترانزیستورهای دوقطبی در حالت شکست بهمنی به صورت سریع افزایش می یابد. در این طراحی با توجه به پلارتیه مثبت و منفی پالس ها به راحتی می توان تغییراتی از جمله : افزایش مقدار بازدهی یا کاهش مقدار ولتاژ خروجی را داشته باشیم. در مطالعه دیگری، توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس، شامل یک مدولاتور مارکس متشکل از IGBT های مجزا و مدار تشدید پالس مغناطیسی است که برای فشرده سازی پالس خروجی مارکس و کاهش تاثیر نسبتا تدریجی فعالیت IGBT در مدولاتور مارکس است. استفاده از این توپولوژی درسطح ولتاژی مختلف برای منابع توان پالسی پلاسما دارای شاخصه های کلیدی است که به طور خلاصه می توان به آن اشاره کرد: در ولتاژ 1.3 کیلوولت، استفاده از یک تقویت کننده ولتاژ بالا به همراه مولد مارکس متشکل ازکلیدهای ماسفت الزامی است. در ولتاژ 2000 ولت، نیاز به مولد مارکس 20 طبقه است که در هر طبقه آن شامل مجموعه ای از IGBT و دیود و خازن است.
فناوری مولدهای مارکس را می توان با جایگزین کردن کلیدهای حالت جامد مانند IGBT ها و مجموعه های دیود و خازن متصل به آن ، به جای کلید های گازی اسپارک گپ در سیستم های توان پالسی پلاسما ارتقا بخشید که در نتیجه سیستم های توان پالسی ارائه شده دارای ویژگی هایی از قبیل سادگی و فشردگی ابعاد، قابلیت اطمینان بالا و عمر مفید طولانی می باشد. با توجه به مزایای زیاد استفاده از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ، می توان بسیاری از کاربردهای ولتاژ بالای پلاسما را به این توپولوژی اختصاص داده شود]24[.

شکل (2-1) الف) نمونه ای از توپولوژی مبتنی بر مولد مارکس ،ب) حالت شارژ مولد ، ج) حالت دشارژ
2.2.2 توپولوژی مبتنی بر مبدل های Dc - Dc
در میان تمام توپولوژی های مورد استفاده در سیستم های توان پالسی پلاسما توسط ادوات الکترونیک قدرت، توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تغییرات سطح ولتاژی مناسب یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از کاربردهای منابع توان پالسی پلاسما می باشد. برای بسیاری از دستگاه ها و مدارات کنترلی سیستم توان پالسی پلاسما یک ترانسفورماتور که عهده دار تبدیل ولتاژ سیستم می باشد، مورد نیاز است. استفاده از ترانسفورماتورها به همراه مبدل های dc-dc را می توان به عنوان یک روش عملی و موثر برای افزایش قابلیت اطمینان و راندمان سیستم های توان پالسی پلاسما ارائه کرد. حالت های کلید زنی منابع توان پالسی به عنوان یک روش کاربردی برای بارهای غیر خطی پلاسما شناخته شده است. از مبدل های dc-dc نیز می توان به عنوان رگولاتور در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی استفاده کرد تا یک ولتاژ dc که معمولا به صورت تنظیم نشده است را به یک ولتاژ خروجیdc تنظیم شده تبدیل کند. عمل رگولاتوری درحالت کلیدزنی، توسط فناوری مدولاسیون پهنای پالس(PWM) در یک فرکانس ثابت انجام می شود و المان های کلیدزنی معمولا یک ترانزیستور دو قطبی یا ماسفت است. حالت کلیدزنی گذرا، اثرات زیان باری بر کیفیت توان و راندمان منابع توان پالسی دارد. برای سنجش کیفیت توان منابع توان پالسی که به یک شبکه توزیع شده پلاسما متصل است باید هارمونیک تزریقی جریان و توان راکتیو سیستم را درنظر گرفت. برای افزایش کیفیت توان و کاهش اثرات هارمونیک های جریان سیستم توان پالسی، می توان از تنظیم کننده های ضریب قدرت در انواع مختلف (اکتیو و راکتیو) استفاده نمود.
توپولوژی مبتنی بر مبدل هایdc-dc در منابع توان پالسی پلاسما، شامل مبدل های: باک، بوست، باک- بوست و کاک است که می تواند به صورت تک کاناله یا چند کاناله مورد استفاده قرار گیرد]25[. مشخصات این مبدل ها به صورت خلاصه به شرح ذیل می باشد:
1.2.2.2 مبدل باک
در یک مبدل باک، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی است. شکل(2-2) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی طراحی و بررسی می شود.

شکل(2-2)مبدل باک
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی که در حال افزایش است از داخل سلف (L) و خازن(C) و مقاومت بار (R) به جریان می افتد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. دیود هرزگرد(D) به دلیل انرژی ذخیره شده در سلف همچنان هدایت می کند و جریان سلفی از سلف، خازن، بار و دیود هرزگرد(D) می گذرد. با کاهش جریان سلفی، ترانزیستور SW مجددا در سیکل بعدی وصل می شود.
مبدل باک ساده بوده زیرا فقط به یک ترانزیستور احتیاج دارد و راندمان بالایی دارد. مقدار di/dt جریان بار توسط سلف (L) محدود می شود. اما جریان ورودی متغیر بوده و معمولا به یک فیلتر ورودی بالانس کننده احتیاج است. این فیلتر یک پلارتیه برای ولتاژ خروجی و جریان خروجی یکسو شده فراهم می کند. در وضعیتی که احتمال اتصال کوتاه شدن مسیر دیود وجود داشته باشد مدار حفاظت نیز لازم است. مدار معادل وضعیت مبدل باک در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-3) نشان داده شده است

شکل(2-3)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل باک : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
2.2.2.2 مبدل بوست
در یک مبدل بوست، ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی بیشتر است. شکل(2-4) مدار معادل آن را نشان می دهد.عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است.

شکل(2-4)مبدل بوست
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان ورودی شروع به زیاد شدن کرده و از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم: هنگامی آغاز می شودکه ترانزیستور SW درt=t1 قطع می شود. جریانی که تاکنون از ترانزیستور SW عبور می کرد، حال از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. با کاهش جریان سلفی در سیکل بعدی ترانزیستور SW مجددا وصل می شود و انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود. مدار معادل وضعیت مبدل افزاینده در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان – ولتاژ آن در شکل (2-5) نشان داده شده است.
مبدل بوست می تواند ولتاژ خروجی را بدون کمک ترانسفورماتور افزایش دهد و چون در آن فقط یک ترانزیستور وجود دارد، راندمان بالایی دارد. جریان ورودی ، پیوسته است اما پیک جریان گذرنده از ترانزیستور قدرت، مقدار بزرگی دارد. ولتاژ خروجی نیز حساسیت زیادی نسبت به تغییرات سیکل کاری مبدل دارد و از این رو ممکن است پایدار ساختن مبدل، دشوار باشد. هم چنین ترانزیستور با بار موازی شده است ، حفاظت کردن از آن در هنگام اتصال کوتاه مشکلاتی دارد.
در حالت کلیدزنی منابع توان پالسی پلاسما، می توان از یک مبدل بوست بین پل یکسوساز و خازن های ورودی مدار استفاده کرد. این مبدل سعی می کند تا ولتاژ خروجیdc سیستم ثابت باشد، تا زمانی که فرکانس با ولتاژ خط متناسب است، جریان عبوری نیز پیوسته است.

شکل(2-5)شکل موج های ولتاژ – جریان و مدارمعادل مبدل بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید قطع
در حالت دیگر، ارایه ولتاژ خروجی مطلوب با توجه به ولتاژ dc سیستم می باشد که این روش نیاز به افزودن کلیدهای نیمه هادی با روش های کنترلی مطلوب است که المان های آن در ابعاد کوچکتر و کمپکت ارائه می شود.
3.2.2.2 مبدل باک - بوست
مبدل باک – بوست، ولتاژ خروجی تولید می کند که می تواند کوچکتر یا بزرگتر از ولتاژ ورودی باشد. پلارتیه ولتاژ خروجی، مخالف پلارتیه ولتاژ ورودی می باشد. هم چنین این مبدل، به مبدل وارون ساز یا تغذیه معکوسنیز معروف است]26[.که شکل (2-6) مدار معادل آن را نشان می دهد. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل(2-6)مبدل باک - بوست
مرحله اول : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW وصل بوده و دیود هرزگرد(D) بایاس معکوس است. جریان ورودی که در حال افزایش است از سلف (L) و ترانزیستور SW می گذرد.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW قطع است. جریانی که از ترانزیستورSWعبور می کرد، اکنون از سلف (L)، خازن (C)، دیود هرزگرد(D) و بار می گذرد. اکنون انرژی ذخیره شده در سلف (L)، به بار منتقل می شود و جریان سلف کاهش می یابد تا این که ترانزیستور SWدر سیکل بعد مجددا وصل شود. مدار معادل وضعیت مبدل باک - بوست در دو مرحله کلیدزنی مذکور و شکل موج های جریان - ولتاژ آن در شکل (2-7) نشان داده شده است.
مبدل باک – بوست این امکان را می دهد که بدون در اختیار داشتن ترانسفورماتور، پلارتیه ولتاژخروجی معکوس شود، راندمان بالایی دارد و حفاظت خروجی در مقابل اتصال کوتاه نیز به سادگی امکان پذیر است اما جریان ورودی متغیر بوده و مقدار جریان عبوری از ترانزیستور مدار نیز مقدار بزرگی است. بر خلاف مبدل های باک و بوست ، این مبدل هنگامی که بدون ایزولاسیون مورد استفاده قرار گیرد در خروجی مبدل ولتاژی با پلارتیه منفی قرار می گیرد.
البته می توان یک توپولوژی جدید بر اساس مبدل باک – بوست با پلارتیه ولتاژی مثبت در خروجی را مطرح کرد. در شکل (2-8) مدار معادل مبدل باک – بوست مثبت نشان داده است. یک مبدل باک - بوست مثبت می تواند به صورت تک خروجی یا چند خروجی باشد که آرایش آن شامل مبدل های باک و بوست با اتصال طبقاتی است.

شکل(2-7)شکل موج های ولتاژ - جریان و مدارمعادل مبدل باک - بوست : (الف) کلید وصل (ب) کلید کلیدقطع

شکل(2-8) مبدل باک – بوست مثبت
4.2.2.2 مبدل کاک
آرایشی که شامل ترکیب مبدل باک– بوست با اتصال سری، که ولتاژ خروجی بزرگتر یا کوچکتر از ولتاژ ورودی است و پلارتیه ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است، به نام مبدل کاک شناخته می شود. که به نام مخترع خود از انیستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا نام گذاری شده است]27[. شکل (2-9) مدار معادل آن را نشان داده است. عمل مداری این مبدل در دو مرحله قابل بیان است:

شکل (2-9)مبدل کاک (Cuk)
مرحله اول: هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=0 وصل می شود. جریان عبوری از سلف (L1) افزایش می یابد در همان موقع ولتاژ خازن (C1)، دیود هرزگرد(D) را در حالت بایاس معکوس قرار داده و آن را قطع می کند. بنابراین انرژی خازن(C1) به مداری که توسط خازن (C2)، سلف (L2) و بار تشکیل شده تحویل داده می شود.
مرحله دوم : هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور SW در t=t1 قطع می شود. خازن (C1) از منبع ورودی شارژ شده و انرژی ذخیره شده در سلف (L2)، به بار منتقل می شود. دیود هرزگرد(D) در حالت بایاس مستقیم قرار می گیرد و همزمان با ترانزیستور SW در آن کلید زنی صورت می گیرد. شکل (2-10)مدار معادل حالت کلید زنی مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-10)مدار معادل مبدل کاک در حالت های کلید زنی : الف) حالت وصل کلید ب) حالت قطع کلید
مبدل کاک بر اساس خاصیت انتقال انرژی خازنی ساخته شده، درنتیجه جریان ورودی پیوسته می باشد. تلفات کلیدزنی کم و راندمان زیادی دارد. درحالتی که کلید وصل است جریان هر دو سلف از آن عبور می کند که پیک جریان کلید را افزایش می دهد. شکل (2-11)، شکل موج های جریان – ولتاژ مبدل کاک را نشان داده است.

شکل (2-11) شکل موج های جریان و ولتاژ مبدل کاک در حالت های کلید زنی
5.2.2.2 مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم
یک دسته جدید از مبدل های dc-dc درحوزه الکترونیک قدرت با نام مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم شناخته شده اند. کلیدزنی نرم بدین معنی است که در یک یا چند کلید به کار رفته در مبدلdc-dc، تلفات کلیدزنی در حالت قطع و وصل شدن کلید حذف شده است. نوع دیگری از کلیدزنی که مطرح می شود، کلیدزنی سخت است که در آن هم حالت قطع و وصل کلیدهای قدرت در سطوح ولتاژ و جریان بالا انجام می شود. بسیاری از تکنیک های کلیدزنی نرم برای اصلاح رفتار کلیدزنی مبدل های تشدیدی dc-dc وجود دارد. دو تکنیک مهم برای رسیدن به کلیدزنی نرم وجود دارد: کلید زنی جریان صفر و کلید زنی ولتاژ صفر.
در ساختار مبدل تشدیدی با کلید زنی نرم، یک شبکه تشدیدLC اضافه می گردد تا شکل موج جریان یا ولتاژ ادوات کلیدزنی را به صورت یک موج نیمه سینوسی شکل دهد تا یک شرط ولتاژ صفر یا جریان صفر را در مدار ایجاد کند. یک روش ایجاد نمودن یک پدیده تشدید کامل در این مبدل ها، استفاده از ترکیبات سری یا موازی عناصر تشدید می باشدکه برای dc-dc کردن آن از طریق یک طبقه اضافی یعنی طبقه تشدید، که در آن سیگنال dc به سیگنال ac فرکانس بالا تبدیل می گردد، انجام می گیرد. از نظر مداری، یک مبدل تشدید dc-dc را می توان با سه بلوک مداری شرح داد.که شکل(2-12) نشان داده است.
ولتاژ خروجی dc
ولتاژ ورودی dc
یکسوساز ac-dc
حالت تشدید
وارون ساز dc-ac

شکل (2-12) مبدل تشدید با کلیدزنی نرم
نوع وارون ساز در مبدل های تشدیدی با کلید زنی نرم، از انواع مختلف ساختار های شبکه کلیدزنی به دست می آید. حالت تشدید،که به عنوان یک بلوک میانی بین ورودی و خروجی مبدل به کار گرفته می شود، معمولا با یک شبکه دارای فیلتر فرکانس، ترکیب می گردد. علت استفاده از این شبکه، تنظیم نمودن جریان شبکه از منبع به بار است. از مبدل های تشدید با کلیدزنی نرم می توان در مشعل های پلاسما با سطح توانی بالاتر از 30 کیلووات، استفاده کرد. از مبدل های تشدید سری با کلیدزنی ولتاژ صفر نیز می توان در منابع توان پالسی ولتاژ بالا استفاده کرد. مزیت توپولوژی مبتنی بر مبدل های تشدیدی با کلیدزنی نرم ، شامل کموتاسیون طبیعی کلیدهای قدرت پلاسمایی می باشد که منجر به کاهش تلفات قدرت کلیدزنی، افزایش راندمان و فرکانس کلیدزنی سیستم های توان پالسی می شود و در نتیجه کاهش اندازه ، وزن سیستم و کاهش احتمالی تداخلات الکترومغناطیسی را به دنبال دارد. عیب مهم تکنیک های کلید زنی ولتاژ یا جریان صفر در مبدل های تشدید آن است که برای تنظیم خروجی، نیاز به کنترل فرکانس متغیر است. که به واسطه آن مدار کنترلی پیچیده تر می شود و هارمونیک های ناشی از تداخلات الکترومغناطیسی ناخواسته که در تغییرات زیاد بار تولید می شود بسیار نامطلوب است.
با بررسی مقالات منتشر شده در مورد توپولوژی مبتنی بر مبدل های dc-dc توسط ادوات الکترونیک قدرت با توجه به انواع مبدل ها، در کاربردهای مختلف منابع توان پالسی پلاسما، می توان به نتایج جامعی در این باره دست یافت که چکیده آن در جدول های مقایسه ای (2-1) و (2-2) آمده است]28[.
جدول(2-1) شاخص های کلیدی مبدل های dc - dc
ردیف نوع مبدل
مبدل
باک
مبدل بوست
مبدل
باک- بوست
مبدل
باک- بوست مثبت مبدل
کاک
شاخصه ها 1 سطح ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ ورودی هر دو حالت
هردو حالت هر دو حالت
2 پلارتیه خروجی موافق ورودی موافق ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی مخالف ورودی
3 سطح عایقی کم کم زیاد زیاد کم
5 کنترل اضافه جریان وجود ندارد وجود ندارد وجود دارد وجود دارد وجود دارد
6 قابلیت اطمینان کم متوسط متوسط بالا متوسط
7 راندمان متوسط متوسط بالا بالا متوسط
جدول(2-2) شاخص های کلیدی مبدل های تشدید با کلید زنی نرم
ردیف شاخصه ها حالت کلیدزنی اولیه حالت کلیدزنی ثانویه سطح ولتاژ خروجی راندمان
نوع مبدل وصل قطع وصل قطع کم زیاد کم باری بار کامل
1 مبدل تشدید NV ZVS ZVS ZVS di/dt- زیاد ___ * کم بالا
2 مبدل تشدید نیم پل ZVS ZVS ZVS ZCS ___ * متوسط بالا
3 مبدل تشدید دو برابر کننده جریان نیم پل سخت
ZCS ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ متوسط بالا
4
مبدل تشدید دو برابر کننده جریان تمام پل ZVS
سخت
ZVS ZVS زیاد
di/dt * __ کم بالا
5 مبدل تشدیدی ترکیبی ZVZC با ترانسفورماتور پالسی ZVS
ZVS/ZCS ZVS ZCS __ * کم بالا
6 مبدل تشدید ZCS ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * بالا کم
7 مبدل شبه تشدید ZCS ZVS ZVS ZCS ___ * کم بالا
3.2.2 توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ
اجزای اصلی توپولوژی مبتنی بر تقویت کننده های ولتاژ، خازن و دیود هستند. این توپولوژی با
کوک کرافت – والتون نقش قابل توجهی در افزایش ولتاژ درکاربردهای پلاسما و ارتباطات از قبیل: میکرو الکترونیک، دستگاه های گیرنده فرکانس های رادیویی و منابع توان پالسی و... دارد. شکل (2-13) نمونه ای از یک تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون را نشان داده است. از مشخصات مهم توپولوژی تقویت کننده ولتاژ که برای طراحی منابع توان پالسی پلاسما می توان در نظر گرفت، این است که سادگی وکاربردی بودن مدار تقویت کننده ولتاژ یکی از فاکتورهای کلیدی استفاده گسترده آن است. اجزای اصلی هر طبقه شامل تعدادی از خازن و دیود است که کوپل شده اند و این عمل باعث افزایش ولتاژ می شود. عملکرد هر طبقه از این تقویت کننده می تواند به عنوان روند تکمیلی و تحلیلی برای این توپولوژی باشد که افزایش ولتاژ خروجی را در پی دارد. بنابراین در این توپولوژی نیازی به استفاده از گیت قطع و وصل کلیدها و ترانزیستورها که همراه با مدارات کنترلی جانبی است، نمی باشد. روشن است این مدارات کنترلی، تنظیمات را سنگین تر، پیچیده تر و گران تر می کند و در نتیجه قابلیت اطمینان و راندمان سیستم کم می شود. از سوی دیگر، ورودی مدار توپولوژی قابلیت تغذیه از هر نوع شکل موج ورودی به جز شکل پالسی را دارد. بنابراین هیچ الزامی وجود ندارد که فقط شکل موج ورودی، سینوسی باشد. در این توپولوژی می توان ولتاژ را به مقدار زیادی با هرنوع شکل موج متناوبی از جمله سینوسی، ذوزنقه ای یا سینوسی هارمونیک دار که در ورودی داشته باشیم، افزایش داد. هم چنین شوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده که در ورودی این مدار وجود دارد را می توان با کنترل جریان نشتی عبوری از خازن ها کنترل کرد.
از مزایای عمده استفاده از تقویت کننده ولتاژ در پلاسما، دارای ابعاد کوچک و وزن کم هستند که راندمان وقابلیت اطمینان بالایی دارند. معایب اصلی آن نیز عبارتنداز: تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی مدار، که مقدار آن بزرگ می باشد. بنابراین به ظرفیت مناسب خازنی نیاز است. این مقدار را می توان در محدوده قابل قبولی با افزایش فرکانس کاری تقویت کننده ها که از مبدل های AC-DC-AC در ورودی آن استفاده شود ، کاهش داد .

شکل (2-13)تقویت کننده ولتاژ N طبقه کوک کرافت – والتون
4.2.2 توپولوژی مولدهای پالس مبتنی بر اینورترها
به منظورافزایش کنترل پالس های ولتاژ خروجی، می توان از مدولاسیون پهنای پالس (PWM) با بیش از یک سطح ولتاژی استفاده کرد. این عمل توسط اینورترهای دو سطحی دو یا چند سطحی مدرن ایجاد می شود. با توجه به توسعه این توپولوژی در پلاسما، با این حال استفاده از اینورترها و مشکلات احتمالی آن در این زمینه به ندرت در نظر گرفته می شود. با بررسی در این زمینه در می یابیم که کمتر اینورتر به عنوان ماژول های جانبی در ساختار منبع توان پالسی پلاسما استفاده می شود. با توجه به این که تولید پالس دوقطبی برای سیستم های پلاسما نیاز به مهارت زیادی دارد. معایب اصلی توپولوژی هایی که از اینورترهای 2 سطحی استفاده می کنند به شرح ذیل می باشد:
الف) مقدارشوک ولتاژی ناشی از dv/dt ایجاد شده در دو سر بار قابل توجه است که منجر به ایجاد نویز الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد در سیستم می شود.

—d1937

1-8-1-1- کربن بلک19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل میکند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده میشود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی میشود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلی
154305201930انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی

پیل سوختی
1186180120650انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی

شکل 1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا می‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار میکنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب می‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید میشود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته میشود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث میشود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [2].
1-3- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پیل سوختی اولیه ساخته شده [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
1-4-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [3].
همان‌طوریکه در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.

شکل 1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [3].
1-5- انواع پیل سوختی
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقهبندی می‌شوند [4]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از 80 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH+ و یا OH- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی بهترتیب از طریق یون‌ها انتقال می‌یابد.
1-5-1- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گرانقیمت احتیاج داشتند و بهدلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت بهکار برده می‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز بههمین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه 1960 توسط ویلیام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال 1966 پلیمر نفیون جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلیاستیرن سولفامات میباشد [5-6]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینههای فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههای آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بارگذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیلهای سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستمهای پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر بهدلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیلهای شخصی افق‌های امیدبخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است بهطوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترودهای متخلخل قرار دارند. گازهای واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌شود و لایه کاتالیزوروجود دارند، می‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترودها، کاتالیزور‌ها و غشای بین آنها را MEA می‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. بهدلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را بهعهده دارند همچنین جدا کننده کانال‌های گازی در سل‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می‌باشند، بهصفحات دو قطبی معروف هستند [8-9].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود 80 درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راهاندازی سریع و افزایش طول عمر پیل میشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری میشود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌توان بهطور خلاصه بهاینصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان بهصورت کلی زیر نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را بهعنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.
بهجهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مدیریت آب نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میانعبور متانول بهخاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط میشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش میدهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی از حبابهای دیاکسیدکربن (CO2) که در سطح آند تولید میشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکولهای متانول به لایه کاتالیزور را محدود میکند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسانتر به داخل زمین نفوذ میکند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب بهراحتی میتواند صورت گیرد [3].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی و نفوذ است.
میانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر میشود [14] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم میکند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر میدهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش میدهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میانعبور هیدروژن در سیستم هایH2PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از 8/0 ولتاست.
نشت بی مورد: میانعبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می شود.
بهمنظور جلوگیری ازمیانعبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می گیرد:
استفاده از محلولهای رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میانعبور را کاهش می دهد. بههر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک های نگه داری بزرگ سوخت میشود و پمپ آب بیشتری را میطلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیمتر: الکترولیت ضخیمتر میتواند میانعبور را محدود کند و همینطور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش میدهد.
یک مانع نفوذ روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می شود بهطوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میانعبور را کاهش میدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌باشد که کربنی که حامل گروه –OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر
1و2- پروپاندیال سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی
1-8-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرآیندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر می‌رسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل میکنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین میشود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب میشود.
1-8-1- بهبود کاتالیزور پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشیدن ظرفیت انتقال پروتون در یک واکنش الکتروکاتالیزوری، در طول تهیه جوهر کاتالیزور، محلول نفیون به جوهر کاتالیزور اضافه میشود. مقدار مناسب نفیون در این جوهر در حدود 10% تا 30% است. اضافه کردن نفیون میتواند ظرفیت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولی این روش ناخواسته تعداد زیادی از سایتهای فعال کاتالیزور را میپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفیدی جهت بهبود بهره‌برداری از کاتالیزورهای فلزی گرانقیمت نظیر پلاتین است. این روش نه تنها ظرفیت انتقال پروتون را افزایش میدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش میدهد که میتواند هزینهی پیل سوختی را کاهش دهد [17].
برای دستیابی به پراکندگی خوب، بهرهبرداری بالا و نانوذرات فلزی پایدار، استراتژیهای بستر کاتالیزور مورد ارزیابی قرار گرفتند. در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی بدون بستر، کاتالیزورهای بستر شده پایداری و فعالیت بالایی را از خود نشان میدهند. در بیشتر موارد ذرات کربن بهدلیل پایداری نسبی در دو محیط اسیدی و بازی، هدایت الکتریکی خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهای کاتالیزور استفاده می‌شوند. ماده کربن تأثیر بهسزایی بر روی خصوصیات کاتالیزورهای فلزی نجیب بستر شده دارد. این تأثیرات عبارتند از:
1-اندازه ذرات فلزی
2-مورفولوژی
3-توزیع اندازه ذرات
4-درجه آلیاژ شدن
5-پایداری و پراکندگی ذرات.
از طرف دیگر بسترهای کربن همچنین میتوانند بر روی عملکرد کاتالیزورهای بستر شده در پیلهای سوختی نیز تأثیرگذار باشند. این تأثیرات عبارتند از:
1-انتقال جرم و هدایت الکترونی لایه کاتالیزور
2-داشتن سطح فعال الکتروشیمیایی
3-پایداری نانوذرات فلزی در طول کارکرد پیل سوختی.
از این رو بهینهسازی بسترهای کربنی در توسعه و پیشرفت پیلهای سوختی متانولی مستقیم خیلی مهم است. خصوصیات مناسب یک بستر کربن از قبیل مساحت سطح ویژه، تخلخل، مورفولوژی، هدایت الکترونی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره باید بهمنظور ساختن یک کاتالیزور فعال و با توجه به چگونگی بهکارگیری آن کاتالیزور انتخاب شده باشند. خصوصیات مواد بستر کربن تأثیر بهسزایی روی مراحل آماده سازی و عملکرد کاتالیزورهای بستر شده سنتزی دارد. سرچشمه تأثیرات فیزیکی و شیمیایی این بسترها هنوز بهطور کامل مشخص نیست [17].
1-8-1-1- کربنبلک
بستر مورد استفاده در این پایاننامه کربنبلک می‌باشد. لذا این پایه کاتالیزور را بیشتر تحت بررسی قرار می‌دهیم. کربنبلکها بهطور رایج بهعنوان بستر برای کاتالیزورهای آند پیل سوختی متانولی مستقیم به‌کار میروند. تعداد زیادی از کربنبلکها از قبیل استیلنبلک، ولکان XC-72، و غیره وجود دارند که همه اینها معمولاً بهوسیله حرارت دادن هیدروکربنها از قبیل گاز طبیعی یا قسمتهایی از نفت که در فرآیند پتروشیمی از نفت خام گرفته میشود، ساخته میشوند.
اصطلاح کربنبلک به خانواده مهم کربنهای صنعتی که در اصل در لاستیک و جوهرسیاه کاربرد دارند اطلاق می‌شود. کربن‌بلک‌ها از ذرات کروی با ابعاد کلوئیدی تشکیل شده‌اند و ساختمان شبهگرافیتی دارند بههمین دلایل با کربن‌های تجاری مانند کک‌ها و ذغال‌ها تفاوت دارند. کربن‌بلک بهصورت تجاری در اندازه ذرات 100 تا 4000 آنگستروم تولید می‌شود. کربن‌بلک‌ها از طریق احتراق ناقص یا تجزیه حرارتی هیدروکربن‌های مایع یا گازی تولید می‌شوند.
کربن‌بلک‌ها صرفنظر از روش تولید و اینکه چه ماده خامی در تولید آن‌ها بهکار رفته باشد دارای خواص مشابهی هستند. سطح ویژه کربنبلک‌ها بهراحتی از روش جذب قابل اندازه‌گیری است. این روش به وسیله برونرو ایمیت توسعه پیدا کرد. ذرات کربنبلک متخلخل هستند و قطر حفره این کربن‌ها بین 20 تا 30 آنگستروم تخمین زده شده است.
آرایش اتم‌های کربن در داخل ذرات کربن‌بلک مطالعه شده است. ساختار کریستالی کربن‌بلک‌ها را می‌توان بهصورت گرافیتی که بهطور نه چندان موازی روی هم انباشته شده است توصیف کرد. در گرافیت فضای بین لایه‌ای 7/6 آنگستروم است ولی درکربن‌بلک بزرگتر از آن است و در حدود 7 آنگستروم است.
یک خاصیت مهم فیزیکی دیگر کربنبلک ساختار زنجیری آنها است. بعضی از کربن‌بلک‌ها مانند دوده چراغ و استیلن‌بلک‌ها ساختار زنجیری کاملتری دارند و بعضی مانند بلک‌های حرارتی ساختارپذیری کمتری دارند [18]. کربن‌بلک‌ها از نظر هدایت الکتریکی نیز بسیار متغیرند. دوده کربنبلک و استیلنبلک از میان بلک‌ها هدایت بسیار بالایی دارند.
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیزورهای بر پایه پلاتین
مسلماً داشتن مکانیسم اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی پیش نیازی ضروری برای طراحی و توسعه غشاهای تجمع الکترود (MEAs) مؤثر برای DAFCs میباشد. اعتقاد بر این است که اکسایش الکلها از 2 مسیر کلی انجام میشود. یک مسیر شامل تشکیل حدواسط COads و مسیر دیگر جایی است که شکستن پیوند کربن ـ کربن اتفاق نمیافتد. در ادامه مکانیسم اکسیداسیون الکلهای مختلف برای کاتالیزورهای برپایه پلاتین مورد بررسی قرار خواهد گرفت [19].
1-9-1- سینتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC
واکنش اکسایش آندی متانول شامل مسیر پیچیده‌ی حاوی حدواسط‌های گوناگون است. طرح کلی واکنش‌های حدواسط‌های پیشنهادی برای اکسایش متانول در شکل زیر آورده شده است[9]:

شکل 1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی [9].
اکسایش متانول در یک مرحله انجام نمی‌شود. اعتقاد بر این است که اکسایش متانول از دو مسیر کلی انجام می‌شود. مسیری که بیشتر ترجیح داده می‌شود، مسیری است که در آن فرمالدئید (CH2O) تولید می‌‌شود که سرانجام منجر به تشکیل اسیدفرمیک (CH2O2) و دیاکسیدکربن می‌شود. مسیر غیرترجیهی، از جهتی پیش می‌رود که در آن فرمالدئید تولید می‌شود اما این‌بار این ترکیب تبدیل به مونواکسیدکربن می‌‌شود و در نهایت دی‌اکسیدکربن تولید میگردد. در هر دو مسیر ترجیهی و غیرترجیهی، اکسایش منجر به تولید 6 الکترون و 6 پروتون می‌شود. مسیری که در آن اکسایش CO وجود دارد، ترجیح داده نمی‌شود چرا که CO یک مسموم‌کننده رایج کاتالیست‌های پلاتین است. نوعاً یک کاتالیست متفاوت مانند پلاتین- روتنیم مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا که حذف اکسایشی CO در ولتاژهای پایین‌تر را میسر می‌سازد و لذا میزان مسموم سازی در مسیر غیرترجیهی را کاهش میدهد.
تحقیقات فراوانی با هدف کاهش مقدار فلزات گران قیمت در DMFC وکاهش میزان فعال‌سازی پلاریزاسیون آندی انجام گرفته است که به موفقیت‌های چندانی رسیده‌اند. حتی با گزینش کاتالیزور جدید، واکنش آندی عموماً نیازمند مقدار بالایی فلز گران قیمت، تقریباً 10 برابر پیل سوختی هیدروژن است. نوعاً حدود 2-4 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیست برای آند و کاتد موردنیاز است (2/0 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیزور برای پیلسوختی هیدروژنی لازم است). الکترود کاتد معمولاً بهمقدار کاتالیزور بیشتری برای مقاومت در برابر اکسایش متانول گذرکرده نیاز دارد.
نکته آخر اینکه سینتیک آندی DMFC در مقایسه با اکسایش H2 کند است و بهمحتوای کاتالیزوری بالایی نیاز دارد که این امر ممکن است DMFC را فقط برای کاربردهای قابل حمل محدود سازد.
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول
کندی و حامنت گزارش داده‌اند که متانول در حین اکسایش تحت جذب سطحی تخریبی قرار می‌‌گیرد. متانول روی سطح پلاتین ابتدا جذب سطحی می‌شود و سپس دهیدروژناسیون گونه‌های جذب سطحی شده اتفاق میافتد که طی چند مرحله در پتانسیل‌های پایین‌تر انجام می‌شود. اتم‌های هیدروژن جذب سطحی شده میتوانند سریعاً از سطح پلاتین حذف شوند. فرآیند تخریبی که منجر به تشکیل یک سری از حدواسط‌های کربوکسیلی جذب سطحی می‌شوند مثل (x = 1-3) ads(CHxO) با تشکیل گونه CO با جذب سطحی قوی شونده همراه است که مهمترین عامل مسمومیت الکترود هستند. گونه CO جذب سطحی شده با گونه های حاوی اکسیژن جذب سطحی شده مجاور مثلاٌ OHads یا H2O در محلول واکنش داده تا به CO2 محصول نهایی تبدیل شود که توسط آنالیزهای HPLC تأیید شده است. بنابراین مولکول‌های متانول، گونه‌های جذبسطحی شونده حاصل از تخریب و گونه‌های اکسیژن‌دار می‌توانند بهآسانی جذب سطحی یک کاتالیزور مناسب برای اکسایش متانول شوند. با توجه به شواهد جمعآوری شده از نوشتهها و مقالات و نتایج آزمایشات، سه نتیجهگیری میتوان انجام داد [20]:
جذب سطحی متانول مرحله تعیینکننده سرعت در واکنش اکسایش کلی متانول است.
اکسایش متانل شامل یک فرایند چند مرحله‌ای از جذب سطحی- تخریب است.
واکنش اکسایش از درجه اول نسبت به متانول است بنابراین مکانیسم واکنش متانول بهصورت زیر ارائه میشود [15]:
Pt + CH3OH → Pt – (CH3OH)ads (1-10)
Pt – (CH3OH)ads +Pt → Pt – (CH2OH)ads +Pt - Hads (1-11)
Pt - (CH2OH)ads + Pt → Pt - (CHOH)ads +Pt - Hads (1-12)
Pt - (CHOH)ads + Pt → Pt – (COH)ads + Pt – Hads (1-13)
Pt – (COH)ads +Pt → Pt – (CO)ads +Pt – Hads (1-14)
Pt - Hads → H+ +Pt + e- (1-15)
Pt +H2O →Pt – (OH)ads + Pt –Hads (1-16)
Pt – (CO)ads + Pt – (OH)ads → CO2 + H+ + e + 2Pt (1-17)
و واکنش کلی:
CH3OH + H2O→CO2 + 6H+ + 6e- (1-18)
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیزورهای برپایه پلاتین
یکی از خصوصیات الکلهایی مانند اتانول و گلیسرول این است که روی Pt و آلیاژهای آن بهسختی اکسید میشوند بهویژه آنکه هیچ کاتالیزوری آندی بر پایه پلاتین، دانستیه انرژی قابل قبول را در پیلسوختی گلیسرولی مستقیم و پیلسوختی اتانولی مستقیم نشان نداده است. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول نسبت به اتانول بهدلیل حضور دو یا سه گروه هیدروکسیل پیچیدهتر میباشد. شکل 1-8 فرم عمومی پیشنهاد شده برای اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای پلاتین را نشان میدهد. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول موجب تشکیل مقدار قابل توجهی کربنات میشود و از اینرو اکسالات روی سطح الکترود Pt بهکندی اکسید میشود و CO2 نیز عموماً یک محصول فرعی هم برای اکسیداسیون گلیکولات (a) و هم برای تارترونات (b) محسوب میشود [23-21]. از طرفی اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول بر خلاف اکسیداسیون هیدروژن شامل مراحل زیاد و تشکیل حدواسطهای فراوانی است که ممکن است سایتهایفعال روی سطح فلز را اشغال کنند. ثانیاً اکسیداسیون جزئی محصولات منجر به بازدهی پایین پیلسوختی خواهد شد هم چنین حدواسطهای تولید شده مانند CO موجب مسمومیت و غیر‌فعال‌شدن کاتالیزور میشوند [22].

شکل 1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای فلزی [21].
بر همین اساس استفاده از سوختهای جایگزین در آند DAFC هنوز هم مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. خصوصیتی که این سوختها باید داشته باشند این است که چگالی انرژی حجمی و ولتاژ سل بالایی داشته باشند از طرفی حدواسطهای تولیدشده در اکسیداسیون آنها موجب مسمومیت کاتالیزور آندی نشوند.
پژوهشهای اولیه انجام شده روی الکلهای نوع اول و نوع دوم نشان داد که واکنش اکسایش 1-پروپانول و 2-پروپانول منجر به تشکیل ترکیبات کربونیل مربوطه میشود. همچنین آزمایشات انجام شده برای مقایسه واکنشپذیری 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکتروکاتالیزور Au/SiO2 مشخص کرد که فعالیت 2-پروپانول در دماهای پایین بیشتر از 1-پروپانول است [24]. علاوه بر طلا، پلاتین نیز میتواند بهعنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون الکلهای ایزومری مورد استفاده قرار گیرد. از اینرو Pt/C 5% برای اکسایش 2-پروپانول در دمای محیط مورد استفاده قرار گرفت نتایج نشان داد که در فرایند اکسیداسیون 2-پروپانول، محصولات استون، پروپیونیکآلدئید و اسیدپروپیونیک تشکیل میشوند [25]. کاتالیزور پلاتین با بستر نانوذرات سیلیکا نیز میتواند برای اکسایش 2-پروپانول مورد استفاده قرار بگیرد [26]. پژوهشهای دیگر مشخص کرد که کاتالیزور Au/CeO2 نیز فرآیند الکترواکسایش 2-پروپانول را با بازدهی بیشتری نسبت به CeO2 انجام می‌دهد ولی کارایی این کاتالیزور کمتر ازPt/C تجاری است [27-28].
شکل 1-9 مکانیسم اکسایش 2-پروپانول را نشان میدهد. در این مکانیسم که شامل چند مرحله است ابتدا هیدروژن گروه هیدروکسیل جدا میشود و در ادامه فرآیند اکسایش بهوسیلهی دو واکنش موازی: (1) تشکیل پروپن و (2) هیدروژنزدایی و تشکیل استون دنبال میشود. در نهایت این ترکیبات به CO2 و H2O تجزیه میشوند [29].

شکل 1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول [29].
در سال 2002 ژیگانگ و همکارانش عملکرد پیلسوختی 2-پروپانولی مستقیم را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که 2-پروپانول عملکرد خیلی بهتری در مقایسه با پیلسوختی متانولی مستقیم دارد. این سوخت، ولتاژ مدار باز بسیار بالاتر و جریان میانعبور بسیار پایینتر نسبت به متانول نشان میدهد. آزمایشات مشخص کرد که اگر در پیلسوختی از 2- پروپانول بهعنوان سوخت استفاده شود، میتواند چگالی انرژی الکتروشیمیایی 5/1 برابر بیشتری نسبت به پیلسوختی متانولی داشته باشد. با این حال، حدواسطهای تولید شده در اکسیداسیون 2-پروپانول موجب مسمومیت شدیدتر آند میشود [30].
در سال 2006 اقای برجنز و همکارانش الکترواکسیداسیون 2-پروپانول را روی الکترود پلاتین در محیط‌های قلیایی بررسی کردند. نتایج مشخص کرد میزان حداکثر جریان با افزایش غلظت 2-پروپانول یا هیدروکسید افزایش می یابد، همچنین افزایش غلظت هیدروکسید باعث جابجایی پتانسیل به مقادیر منفیتر میشود. الکترواکسیداسیون پتانسل آغازی استون بالاتر از الکترواکسیداسیون 2-پروپانول میباشد و این امر بهدلیل جذب بالای حدواسطها در اکسیداسیون 2-پروپانول میباشد [31].
در سال 2007 اقای چانگ وی زو و همکارانش فعالیت پالادیم و طلا برای اکسیداسیون 2-پروپانول مورد بررسی قرار دادند. الکترود پالادیم چگالی جریان بهتر، فعالیت بالاتر و پتانسیل آغازی منفیتری برای اکسیداسیون 2-پروپانول نسبت به کاتالیزورهای پلاتین در محیط قلیایی نشان داد. نتایج ولتامتری چرخهای نشان داد که افزودن Au منجر به نتایج امیدبخشی در اکسیداسیون 2- پروپانول میشود و پتانسیل آغازی را در اکسیداسیون 2ـ پروپانول نسبت به اکسیداسیون متانول 120 میلیولت جابجا مینماید [32] .
در سال 2008 متیو و همکارانش الکترواکسیداسیون 2- پروپانول و استون را روی الکتروکاتالیزور Pt و Pt-Ru در الکترولیت قلیایی با روشهای ولتامتری چرخهای و کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای نشان داد که مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C مقدار مثبتتری نسبت به Pt-Ru/C است که این امر به سینتیک کند کاتالیزور Pt/C در مقایسه با کاتالیزور Pt-Ru/C نسبت داده شد. بررسی نتایج کرونوآمپرومتری نشان داد که کاتالیزور حاوی Ru فعالیت بسیار بالایی در کاهش استون در پتانسیلهای پایینتر نشان میدهد [33].
در سال 2008 تانگ و همکارانش الکترواکسیداسیون متانول، 1-پروپانول و 2-پروپانول را روی پلاتین و پالادیم در محیط قلیایی بررسی کردند. نتایج اولیه این مطالعه نشان داد که Pd الکتروکاتالیزور مناسبی برای اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول است. و فعالیت اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pt در محیط قلیایی کم است ولی فعالیت اکسیداسیون این الکلها در سطح الکترود Pd به این صورت است:
متانول < 1-پروپانول < 2-پروپانول
نتایج نشان داد که چگالیجریان مربوط به اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pd خیلی بالاتر از الکترود Pt است. پتانسیل شروع اکسیداسیون 2-پروپانول در الکترود Pd منفیتر از الکترود Pt بوده و در نتیجه Pd میتواند جایگزین مناسبی برای Pt دراکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول در محیط قلیایی باشد[34].
در سال 2011، مارگارتا و همکارانش اکسیداسیون الکتروکاتالیتیکی 2،1 پروپاندیال را با استفاده از الکترود نانومتخلخل و مسطح پلاتین در محیط قلیایی بررسی کردند. ولتامتری چرخهای نشان داد که الکترود نانومتخلخل پلاتین چگالی جریان بالاتری نسبت به الکترود مسطح پلاتین نشان میدهد. نویسنده دلیل این امر را مورفولوژی و ساختار هندسی الکترود نانومتخلخل پلاتین میداند. همچنین مطالعه ساختار الکترودها نشان داد چگونگی اتصال حدواسطهای تولید شده به الکترود Pt به مورفولوژی الکترود پلاتین بستگی دارد[35].
در سال 2012 مونیچاندرایه و همکارش اکسیداسیون 1،2پروپاندیال روی الکتروکاتالیزور Pd ترسیب شده روی پلی 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن (PEDOT) را بررسی کردند. آزمایشات نشان داد که فعالیت الکتروکاتالیزور Pd-PEDOT/C در الکترواکسیداسیون1،2پروپاندیال بیشتراز الکترود Pd و Pd/C میباشد. افزایش سطح و همچنین افزایش سایتهای فعال پالادیم موجب شد که Pd-PEDOT/C فعالیت الکتروشیمیایی بسیار بالاتری نسبت به پالادیم نشان دهد. نتایج ولتامتری چرخهای مشخص کرد که چگالی جریان با افزایش غلظت 2،1پروپاندیال و همچنین NaOH در الکترولیت افزایش مییابد. مطالعات آمپرومتری اثبات کرد که الکترود Pd-PEDOT/C پایداری و ثبات بسیار بیشتری در مقایسه با الکترود Pd/C دراکسیداسیون 2،1پروپاندیال دارد [36].
در سال 2013 ویل مدلین و همکارانش اکسیداسیون انتخابی اتیلنگلیکول و 2،1پروپاندیال را بر روی طلا و پالادیم و کاتالیزور دوفلزی Au/Pdتهیه شده بهوسیله ترسیب الکترودی مورد بررسی قرار دارند. بررسیها با استفاده از معرف انتخابی رقیق شده نشان داد که برای اتیلنگلیکول شکستن پیوند C-H مرحله تعیینکننده سرعت است. مطالعات DFT و XRDنشان میدهد که افزایش سطح کاتالیزور دوفلزی در مقایسه با پالادیم به احتمال زیاد به علت کاهش در پوشیده شدن پیوندهای جذبشده بوده و هنگامی که درصد طلا افزایش مییابد احتمال شکسته شدن پیوند C-H کاهش مییابد [37].
دامر و همکارانش اکسیداسیون 2،1پروپاندیال را با استفاده ازنانوذرات فلزی طلا، پالادیم، پلاتین و مخلوطی از این فلزات مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از Au-Pt/C باعث افزایش اکسایش 2،1پروپاندیال تحت شرایط واکنش میشود. آلیاژ طلا با پلاتین منجر به تولید کاتالیزوری با بازدهی بیشتر در مقایسه با آلیاژ طلا با پالادیم میشود. بررسی اکسیداسیون 1،2-پروپاندیال مشخص کرد که در محیط بازی محصول اصلی لاکتات خواهد بود و در غیاب باز واکنش پذیری کاتالیزورها کاهش می‌یابد و محصولات واکنش، هیدروکسیاستون و لاکتات هستند. مسیر پیشنهادی برای مکانیسم اکسایش 2،1پروپاندیال در شکل 1-10 نشان داده شده است [38].

شکل 1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال [38].
مکانیسم دیگری برای اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال روی کاتالیزورهای Pd/C ,Pt/C ,Au/C در محیط بازی توسط پراتی و گروه مطالعاتیاش پیشنهاد شد (شکل 1-11). نتایج نشان داد که Au/C فعالیت ذاتی بالایی در اکسیداسیون گروه هیدروکسیل نوع اول نشان میدهد در حالیکهPd وPt/C گزینشپذیری بین هیدروکسیل نوع اول و دوم ندارند [39]. نتایج مشابهی توسط پینکس و تارنینگ نیز برای اکسایش 1و2-پروپاندیال بدست آمده است [40-41].

شکل 1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی[39].
1-10- اهداف پروژه
در این پروژه ابتدا الکتروکاتالیزور پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیمبورهیدرید سنتز میشود. در ادامه، فعالیت کاتالیزور پلاتین/کربن در فرایند اکسیداسیون 2،1-پروپاندیال، 2- پروپانول و متانول در محیط قلیایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و واکنش اکسیداسیون این الکلها بهعنوان سوخت قابل استفاده در پیل سوختی قلیایی بررسی میشود. سپس رفتار الکتروشیمیایی الکلهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده و تفاوتهای موجود استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت پایداری کاتالیزور پلاتین/کربن سنتز شده در برابر مسمومیتهای ناشی از حد‌واسط‌های تولید شده در فرآیند اکسیداسیون، با استفاده از تکنیکهای مختلف الکتروشیمیایی ارزیابی خواهد شد.
فصل دوم
مبانی نظری
280098545466000263715511620500
فصل دوم: مبانی نظری
2-1- مقدمه
الکتروشیمی شاخهای از شیمی میباشد که به بررسی رفتارهای الکتریکی واکنشهای شیمیایی می‌پردازد. در این روش، کمیتهای الکتریکی مانند جریان، پتانسیل، مقاومت، بار اندازهگیری شده و ارتباط آن با واکنشهای شیمیایی، مورد بررسی قرار میگیرد که موجب کاربرد گستردهی این روش درزمینههای مختلف از جمله صنعت، محیط زیست، پزشکی و... شده است. همچنین روشهای الکتروشیمیایی دارای کاربرد وسیعی در تجزیه نمونههای مختلف و نیز در سنتزهای آلی و معدنی، بدست آوردن دادههای ترمودینامیکی و سینتیکی واکنشها و... میباشند. گزینشپذیری، حساسیت بالا، سهولت اجرا، سرعت عمل و کمهزینه بودن روشهای الکتروشیمیایی و همچنین صحت و دقت بالایی که با آن میتوان پارامترهای مرتبط با این واکنشها را اندازه گرفت، روشهای الکترو شیمیایی را در ردیف حساسترین و انتخابیترین روشها برای اندازهگیریهای کمی وکیفی قرار میدهد.
روشهای الکتروشیمیایی بر اساس وضعیت تعادلی سل الکتروشیمیایی و حضور یا عدم حضور جریان به دو دسته عمده روش‏های ایستا و پویا تقسیم‏بندی می‏شوند. در روش‏های ایستا اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل در جریان صفر انجام می‏شود. درحالیکه، روش‏های پویا مبتنی بر اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل یا جریان در خارج از حالت تعادل هستند. روش‏های پویا به چند دسته تقسیم‏بندی می‏شوند که عبارتند از‏: جریان ثابت‏، پتانسیل کنترلشده و بار عبوری کنترلشده‏.
2-2- تکنیکهای مورد استفاده
در این پروژه تحقیقاتی رفتار الکتروشیمیایی اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی توسط کاتالیست Pt/C، از طریق روشهای الکتروشیمیایی کرونوآمپرومتری، ولتامتری چرخهای(CV)، ولتامتری روبش خطی(LSV) و طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه به کاربرد هر یک از این روشها در ارزیابی عملکرد الکترود آند پیلهای سوختی الکلی مستقیم پرداخته شده است.
2-3- ولتامتری
ولتامتری بهطور وسیعی توسط شیمیدان‏های معدنی، شیمیفیزیک و زیستشیمی برای مطالعات بنیادی فرایندهای اکسایش وکاهش در محیط‏های مختلف، فرایندهای جذب سطحی روی سطوح و مکانیسم انتقال الکترون در سطح الکترودهای تعدیلشدهی شیمیایی بهکار گرفته می‏شود. بهطورکلی ولتامتری شامل دسته‏ای از روش‏های الکتروتجزیه‏ای است که در آن‏ها اطلاعات در خصوص ترکیبات از طریق دنبال کردن جریان بهعنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده حاصل می‏گردد.
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل
ولتامتری با روبش خطی پتانسیل روشی است که در آن، پتانسیل شیب‌داری را به الکترود ساکن شناور در محلول ساکن اعمال می‌کنند و تغییرات جریان حاصل را نسبت به پتانسیل الکترود ثبت می‌نمایند. در این روش که جزء روش‌های پتانسیوستایی است از سه الکترود کار، کمکی و مرجع استفاده می‌شود و بسته به جهت روبش پتانسیل، فرایند الکترودی و جریان وابسته به آن ممکن است ماهیت آندی یا کاتدی داشته باشد [42].
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای
هرگاه جهت روبش پتانسیل را، با رسیدن به پتانسیل انتهایی عوض کنند و روبش پتانسیل را در جهت عکس تا رسیدن به پتانسیل اولیه ادامه دهند، در صورت برگشتپذیر بودن فرایند الکترودی، محصول واکنش که در مرحله روبش رفت پتانسیل به وجود آمده و در اطراف الکترود قرار دارد، میتواند در مرحله روبش برگشت، در واکنش عکس وارد شود وLSV را بهوجود آورد که علامت جریان آن، عکس علامت جریانهای ثبت شده در مرحله رفت است. در این حالت روش را ولتامتری چرخهای مینامند. بسته به اطلاعات مورد نیاز، یک یا چندین چرخه میتواند بهکار گرفته شود. در این روش که عمدتًا برای مطالعه مکانیزم واکنشها و تبیین حدود برگشتپذیری فرایندهای الکترودی بهکار میرود، سرعت روبش پتانسیل را در دو مرحله رفت و برگشت، معمولاً یکسان انتخاب میکنند.
در این پروژه، از روش ولتاموگرام چرخهای برای سنجش کارایی کاتالیتیکی کاتالیزور و همچنین سنجش پایداری کاتالیزور استفاده شده است.
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای
در علم الکتروشیمی، به پدیدههایی که بر سطح الکترود رخ میدهد توجه خاصی شده است که برای بررسی، واکنش الکترودی کلی:
(2-1)O + ne- ⇔ R
را در نظر میگیریم که گونه اکسید شده O طی مراحل متعدد بهگونه کاهش یافته تبدیل می شود، شکل (2-1)] 43[.
همانطور که در شکل (2-1) نشان داده شده است جریان یا سرعت واکنش الکترودی بهوسیله سرعت فرآیندهای ذیل کنترل میشود:
1- انتقال جرم: بهمعنای فرایند انتقال گونه اکسیدی از داخل محلول به سطح الکترود.
2- انتقال الکترون در سطح الکترود
3- واکنش سطحی نظیر جذب سطحی، دفع یا کریستالیزاسیون.
4- واکنش شیمیایی قبل یا بعد از انتقال الکترون که این واکنشها میتوانند همگن یا ناهمگن باشند.

شکل 2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی
فرایند انتقال جرم میتواند به سه طریق انجام گیرد:
مهاجرت: یعنی جابجایی گونه باردار در اثر میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترود (گرادیان پتانسیل الکتریکی).
نفوذ: یعنی جابجایی گونه باردار تحت تاثیر تغییر پتانسیل شیمیایی یا به عبارت دیگر اختلاف غلظت ایجاد شده بین محلول و الکترود (گرادیان غلظتی)
جابجایی: به معنای جابجایی گونه ها در اثر بهمزدن یا انتقال هیدرودینامیکی
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای
در ولتامتری چرخهای پتانسیل الکترود کار نسبت به زمان بهطور خطی تغییر مینماید. پتانسیل آغازی را طوری انتخاب مینماییم که واکنش اکسیداسیون و احیا در سطح الکترود انجام نگیرد. بعد از طی کردن محدوده پتانسیل یک یا تعداد بیشتری واکنش الکترودی رخ میدهند. سپس جهت روبش خطی معکوس شده و واکنشهای الکترودی، حدواسطها و محصولاتی که طی فرآیند اول تشکیل شدهاند، اگر الکتروفعال باشند، قابل تشخیص خواهند بود (شکل 2-2).

شکل 2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی
2-4- نمودارهای تافل
وقتی که E=Eeq است، هیچگونه جریان خالص از مدار عبور نمیکند. با این حال، این موقعیت با حرکت مستمر حاملان بار در هر دو جهت، یک حالت دینامیک است و در آن مؤلفههای جریانهای آندی و کاتدی متقابل با هم برابرند. قدرمطلق این مؤلفهها در Eeq ، جریانمبادله () را نشان می‌هد که مستقیماً با ثابت سرعت استاندارد متناسب است.
(2-1)
که در آن ، بهترتیب مؤلفههای کاتدی و آندی می‌باشند.
اگر معادله مبادله باتلر- ولمر برحسب جریان نوشته شود:
(2-2) معادله باتلر-ولمر

(2-3)
که در آن است و بهنام پتانسیل اضافی نامیده می‌شود.
معادله (2-3) می‌تواند برای استخراج اطلاعات مربوط به و α، که پارامترهای مهم سینتیکی هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
برای پتانسیلهای اضافی بهقدر کافی بزرگ، یکی از عبارتها در معادله (2-3) در مقایسه با دیگری قابل صرفنظر کردن خواهد بود. مثلاً در پتانسیل مازاد بسیار منفی، میشود و معادله (2-3) بهشکل زیر درمی‌آید:
(2-4)
و بنابراین میتوانیم داشته باشیم:
(2-5)
این وابستگی لگارتیمی پتانسیل- جریان بهعنوان معادله تافل شناخته شده است. با رسم تغییرات logi برحسب ، منحنیهای تافل برای شاخههای کاتدی و آندی منحنیجریان- پتانسیل مازاد بهدست می‌‌آیند [44-45].
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی
در چند سال اخیر روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی که به اختصار EIS یا امپدانس ac نامیده میشود بهعنوان روشی کلیدی در الکتروشیمی و علم مواد مورد استفاده فراوان قرار گرفته است. بدون شک، در مطالعه سیستمهای الکتروشیمیایی، روش EIS با استفاده از تکنیکها و قالبهای خروجی متنوعی که دارا است قادر به ارائه اطلاعات صحیح در مورد سینتیک و مکانیسم واکنش خواهد بود. بههمین دلیل به‌عنوان وسیلهای قدرتمند در مطالعات خوردگی، ارزیابی خواص پوششها، آبکاری الکتریکی، باتریها، سرامیکها و نیمههادیها بهکار میرود. بهعلاوه روش EIS دارای چهار مزیت عمده است که عبارتند از :
1-میزان تحرک کم: در این روش معمولا از دامنه ولتاژ 10-5 میلی ولت استفاده میگردد که آن امر منجر به ایجادکمترین آشفتگی در سیستمهای الکتروشیمیایی مورد آزمایش میشود.
2-مطالعه مکانیسم : چون دادههای حاصل از آزمایشهای امپدانس الکتروشیمیایی هم، اطلاعاتی در مورد ظرفیت و هم در مورد سینتیک انتقال بار بهدست میدهند لذا میتوان مطالعات مکانیسیمی سیستم را با آنها انجام داد.
3-صحت اندازهگیری: از آنجا که در روش EIS روبش پتانسیل انجام نمیشود اندازهگیری میتواند در محلولهایی با هدایت کم نیز انجام شود.
4-استفاده از مدارالکتریکی : مهمترین مزیت روش EIS این است که در آن از یک مدل کاملا الکتریکی برای پدیدههای الکتروشیمیایی استفاده میگردد.
اما مشکل عمده روش امپدانس ac این است که فهم دقیق مفاهیم مربوط به این روش نیازمند اطلاعات زیادی در زمینه ریاضیات و همچنین تجربه، تبحر و آگاهی در زمینههای مختلف خوردگی است. در مجموع، قابلیت مدلسازی شدن فرآیند خوردگی، استفاده عملی از روش امپدانس را میسر میسازد. روش امپدانس ac روش نوینی است که اهمیت آن برای پیشبینی رفتار خوردگی، روز به روز بیشتر میشود [46].
اندازهگیری EIS توسط یک تحلیلگر پاسخ فرکانس با کنترل پتانسیلاستاتیکی در یک سیستم الکترودی قابل انجام است. این روش مبتنی بر اغتشاش سیستم در حال خوردگی در حول و حوش پتانسیل خوردگی میباشد. سیستم سه الکترودی مذکور شامل الکترود کار، مرجع و کمکی است [46]. نمودارهای EIS بهصورتهای مختلف نمایش داده میشوند. یکی از روشهای مطلوب نمایش دادههای امپدانس الکترو‌شیمیایی منحنی نایکوئیست میباشد. در این قالب نمایش دادهها در مختصات مختلط امپدانس حقیقی (Zre) برحسب امپدانس موهومی (Zim) در محدوده یا از فرکانس تحریکی رسم میشوند. در صورتی که مدار فقط دارای مقاومت باشد امپدانس آن توسط یک نقطه روی محور افقی مشخص میشود و در صورتی که مدار، فقط دارای خازن باشد منحنی نایکوئیست آن خطی صاف و منطبق بر محور عمودی خواهد بود. در حقیقت، امپدانس مقاومت فقط دارای قسمت حقیقی و مستقل از فرکانس بوده ولی امپدانس خازن، فقط دارای قسمت موهومی و البته تابع فرکانس میباشد. معمولا منحنیهای نایکوئیست بهصورت نیمدایره هستند. از این نیمدایره، سه پارامتر اصلی را میتوان بهدست آورد که عبارتند از :
RΩ که در فرکانسهای بالا در نقطه Zim برابر با مقدار Zre میباشد.
Rf برابر با قطر دایره است.
C لایهی دوگانه الکتریکی که از رابطه زیر با دانستن فرکانس در بالاترین نقطه دایره قابل محاسبه است.
(2-1)C = 1/(ωRP )
علاوه بر این سرعت یک واکنش شیمیایی ممکن است تحت تاثیر نفوذ یک یا چند واکنشگر از سطح مورد مطالعه باشد. زمانی که مکانیسم واکنش الکتروشیمیایی کاملا تحت تاثیر نفوذ باشد پاسخ امپدانس دارای مشخصهی منحصر به فردی است که امپدانس واربرگ نامیده میشود. برای چنین واکنشی، جریان نسبت به پتانسیل اعمالی 45 درجه اختلاف فاز دارد بنابراین در تمامی فرکانسها قسمت حقیقی و موهومی بردار امپدانس با یکدیگر یکسان میباشند برای نشان دادن امپدانس واربرگ از علامتw استفاده میگردد.
اصلیترین حُسن منحنی نایکوئیست این است که نحوه رسم به گونهای است که بهسادگی میتوان نیم‌دایره را بهطرف چپ و پائین برونیابی کرده محل تقاطع آن را با محور x بهدست آورد غالبا با تغییر مقاومت اهمی، شکل نیمدایره تغییری نمیکند. حُسن دیگر منحنی نایکوئیست این است که بر روی اجزا سری مدار مانند مقاومت اهمی تاکید دارد.
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود
برای مشخصهیابی سطح الکترودهای اصلاح شده و ترکیب عناصر موجود بر سطح آنها از روشهای تصویر‌برداری مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفبینی پراکنش انرژی استفاده میگردد که در ذیل به نحوهی عملکرد آنها پرداخته میشود.
2-6-1- SEM
SEM از جمله مهمترین و پرکاربردترین فنون مشخصهیابی ساختارهای نانو است که برای بررسی ساختار سطحی و اندازهی مواد نانو بهکار میرود. تکنیک SEM با بمباران الکترونی، از سطح اجسامی به کوچکی 10 نانومتر تصویربرداری میکند. در حین بمباران، الکترونهایی بهسمت صفحهی دارای بار مثبت رها می‌شوند که سبب ایجاد علامت میگردد. حرکت پرتو بر روی نمونهی آزمایشی، مجموعهای از علائم را فراهم میکند که بر این اساس، میکروسکوپ میتواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحهی رایانه نمایش دهد. همچنین، معمولاً باید سطح نمونههایی که با SEM بررسی میشوند با یک مادهی رسانای الکتریسیته پوشانده شود. در غیر این صورت، الکترونی که بهسطح نمونه تابیده میشود، دفع نشده، روی سطح باقی مانده و بار ساکن ایجاد میکند. الکترونهای بعدی با این بار ساکن دارای بار همنام برخورد نموده، دفع و یا منحرف میشوند و در نتیجه تصویر حاصل ناپایدار شده و وضوح آن کاهش مییابد. از اینرو معمولاً با نشاندن لایهی نازکی از طلا و پلاتین، سطح نمونههای نارسانا، هدایت الکترونی پیدا میکنند و الکترونهای سطحی دفع شده و مشکل فوق حل گردیده و وضوح تصویر نیز بهبود مییابد [47].

شکل 2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM .
2-6-2- EDS
اساس کار EDS به این ترتیب است که یک پرتو پرانرژی از ذرات باردار نظیر الکترون، پروتون یا پرتوی از اشعهی ایکس بر سطح مورد مطالعه متمرکز میشود. پرتو فرودی ممکن است یک الکترون در پوستهی داخلیتر را تهییج نموده و آن را از لایه بیرون رانده و یک حفرهی الکترونی ایجاد کند. سپس یک الکترون از لایهی پرانرژیتر بیرونی، این حفره را پر نموده و اختلاف انرژی بین پوسته با انرژی بالاتر و پوستهی با انرژی پایینتر به شکل اشعهی ایکس آزاد میشود. هر عنصر با توجه به ساختار اتمی خاص خود، اشعهی ایکس خفیفی با انرژی خاصی آزاد میکند که با توجه به آن میتوان عناصر موجود در نمونه را شناسایی کرد [48].
فصل سوم
بخش تجربی
268922538544500
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی
جدول 3-1، مشخصات مواد شیمیایی مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول 3-1- مشخصات مواد شیمیایی
ردیف نام ترکیب شیمیایی درجه خلوص نام شرکت،کشور سازنده
1 پتاسیم هگزا کلرو پلاتینات
Cl6k2Pt)) 99< مرک، آلمان
2 هیدروکلریک اسید (HCl) 98 فلوکا، سوئیس
3 پتاسیم هیدروکسید
((KOH 85< فلوکا
4 کربن ولکان XC-72 99< نانو تک-چین
5 2-پروپانول 99< فلوکا
6 متانول 98< مرک
7 2،1-پروپاندیال 98< فلوکا
8 سدیم بور هیدرید
(NaBH4) 99< سیگما-آلدریچ
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده
جهت ثبت ولتاموگرامها و سایر اطلاعات از دستگاه‌ پتانسیواستات/ گالوانواستاتAutolab PGstat 30 استفاده شد.
آزمایشهای امپدانس بهوسیله دستگاه Frequency Response Detector مدل 1025 ساخت شرکت EG&G متصل به دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات انجام شد.
در تمام آزمایشها از سیستم سه الکترودی شامل الکترود کار کربنشیشهای ‌با سطح متوسط 0314/0 سانتی‌متر مربع، الکترود کمکی پلاتین والکترود مرجع اشباع Ag/AgCl استفاده شد.

شکل 3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی.
به منظور ساخت جوهر کاتالیزور برای اصلاح اولیه سطح الکترود کربنشیشه از دستگاه فراصوت پروب‌دار Ultarsonic Cell Crusher استفاده شد.
حمام فراصوت 31Bandelin-DT، جهت انحلال سریعتر نمونههای آزمایشی ساخت آلمان.
از ترازوی دیجیتال Precisa 240 A با دقت 00001/0 گرم برای توزین نمونهها استفاده شد.
خشک کردن کاتالیزور سنتز شده در آون انجام شد. از آون ساخت کشور کره مدل VS-1202V5 استفاده شد. این آون متصل به پمپ خلأ و دارای قابلیت برنامه ریزی دمایی میباشد.
از همزن مغناطیسی دارای قابلیت حرارتدهی ساخت شرکت IKA آلمان مدل RET B استفاده شد.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با استفاده از میکروسکوپ Philips XL30-EDAX ساخت کشور آمریکا بدست آمد.
از دستگاه EDS، مدل VEGA-Tescan، استفاده شد.
3-3- الکترود‌های بهکار گرفته شده در روش‌های ولتامتری
در حالت کلی، عموماً فرآیندهای الکتروشیمیایی شامل انتقال الکترون‌ بین یک هادی فلزی و سطوح انرژی مستقر در مولکول‌ها یا یون‌ها در سطح مجاور الکترود می‌باشند. در روش‌های ولتامتری از سیستم-‌های سه الکترودی استفاده می‌شود که این الکترود‌ها عبارتند از:

8فصل چهارم

نیروهای کنترلی ولتاژ هایی هستند که به سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌شوند با شرط . در این کار ماشین‍های تحت تحریک همانند ماشینهای (Under actuated ) می‌باشند. یعنی ماشین‌هایی که ولتاژها می توانند فقط به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شوند(یعنی موتور القایی)یا به هر دو سیم‌پیچی‌های استاتور و رتور (یعنی موتور سنکرون با سیم‌پیچی محلی) مورد بررسی قرار خواهند گرفت. بنابراین بسیار مناسب است که بردار مختصات الکتریکی را به صورت مشخص کنیم که پسوندهای s و r برای نشان دادن متغیرهای سیم‌پیچ‌هایی که به ترتیب "تحریک شده" و "تحریک نشده" هستند استفاده می‌شوند. (اورتگا، 1998)
در حالت ماشین‌های Under actuated تقسیم‌بندی به خوبی با متغیرهای رتور و استاتور منطبق است. توجه داشته باشید ماشین‌هایی مانند موتورهای سنکرون و استپر و موتورهای رلوکتانس متغیر که qe فقط شامل متغیرهای استاتور می‌باشد، و به طور مستقیم توسط ولتاژهای استاتور تحریک می‌شوند. در نهایت فرض می شود که گشتاور بار ????L در زیرسیستم مکانیکی به فرم زیر است:
(4-10)
نکته: ارائه یک گشتاور بار به صورت فرم فوق ثابت می‌کند که به ازای هر کراندار یک کراندار وجود دارد. به جز این که همانگونه که در ادامه نشان داده می‌شود، گشتاور بار هیچ نقشی در مسأله تعقیب گشتاور ندارد و می‌تواند به عنوان یک اختلال خارجی برای مسأله تعقیب سرعت در نظر گرفته شود. با یک پارامتر معیار و .
با توجه به ملاحظات بالا وبا به کارگیری معادلات EL (4-3) تا (4-6) معادلات EL حرکتی ماشین به صورت زیر نشان داده می‌شوند:
(4-11)
(4-12)
که بدون از دست دادن عمومیت، می‌توانیم فرض کنیم که و و تعریف می‍کنیم:

در اینجا τ گشتاور تولید شده است و زیرسیستم‌های الکتریکی و مکانیکی را بر طبق معادله زیر در بر می‌گیرد:
(4-13)
که در مورد حال حاضر ما به معادله زیر کاهش پیدا می‌کند:
(4-14)
که و در محدود و متناوب است.
توجه داشته باشید که، ماشین با پارامترهای EL که شامل چهار گانه است به صورت کامل توصیف شده است که در آن داریم:.(اورتگا، 1998)
4-5 روش مبتنی بر پسیویتی برای طراحی کنترل‌کننده
4-5-1- تجزیه فیدبکی زیرسیستم‌های پسیو
در این قسمت، نشان داده خواهد شد که مدل دینامیکی یک ماشین الکتریکی کلی در شرایط قضیه پسیویتی صدق می‌کند و به همین ترتیب می‌تواند به دو زیرسیستم پسیو که به صورت یک اتصال فیدبک می‌باشند تجزیه شود. یعنی
زیر سیستم الکتریکی ∑eqsu
τ -
qm زیر سیستم مکانیکی ∑m
τL
τL-شکل (4-2): تجزیه زیرسیستم‌های پسیو یک ماشین الکتریکی
*- قضیه 4-1 : (تجزیه زیرسیستم‌های پسیو) سیستم (9.6) - (9.8) می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک منفی از دو زیرسیستم پسیو به صورت شکل (4-2) نمایش داده شود.
Σe: L2ens+1 → L2ens+1 : u-qm ↦ qsτ Σe: L2e → L2e : τ-τL ⟼qm 4-5-2روند طراحی
اساس طراحی از تجزیه زیرسیستم‌های پسیو و با نادیده گرفتن دینامیک‌های مکانیکی بدست می‌آید، تلاش می‍شود که گشتاور تولیدی τ با وارد کردن مقدار مطلوب جریان‌های qeکنترل شود. بنابراین سه مرحله برای طراحی وجود دارد:
تجزیه زیرسیستم‌های پسیو بر مبنای بخش قبل در ماشین به صورتی که Σe به عنوان سیستمی که قرار است کنترل شود وΣm به عنوان یک اختلال پسیو1 در نظر گرفته شوند. برای اطمینان از این که Σm پایداری حلقه را خراب نکند، میرایی حتماً باید به Σe تزریق شود برای این که خاصیت پسیویتی در آن به پسیویتی اکید تبدیل شود.
تعریف یکسری از جریان‌های در دسترس qed یعنی، جریان‌هایی که برای آنها می‌توان یک قانون کنترل پیدا کرد، که در آنها شرط limt→∞qe-qed=0 صادق باشد. برای این منظور، انرژی حلقه بسته باید برای تطابق تابع انرژی مطلوب با خطای جریان شکل داده شود.
تابع انرژی مطلوب در اینجا به صورت Hed≜12qeTDe(qm)qe انتخاب می‌شود و خطای جریان به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(4-15) qe≜qe-qed در این میان جریان قابل دسترس، qed انتخاب می‌شود جهت بدست آوردن گشتاور مرجع مطلوب τ* ، به صورتی که اگر qe≡qed آنگاه τ≡τ* باشد. در نهایت شروطی برقرار می‌شود که تحت آن شرط‌ها، از شرط limt→∞qe-qed=0 نتیجه می‌شود limt→∞τ-τ*=0 صادق است و همچنین پایداری داخلی نیز حفظ می‌گردد.
1.Passive Disturbance
4-6 مدل موتور القایی
شماتیک مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی به صورت شکل(4-3) می‌باشد. شکل (4-4) بلوک دیاگرام مربوط به مدل موتورالقایی که در شبیه‌سازی‌ها از آن استفاده شده است را نشان می‌دهد.
شکل (4-3): مدل موتورالقایی مورد استفاده در کنترل‌کننده

شکل (4-4): دیاگرام مدل موتور القایی مورد استفاده در شبیه‌سازی‌ها
4-6-1 معادلات دینامیکی
تحت فرضیاتی که در بخش 4-3 در مورد پیاده‌سازی فیزیکی یک ماشین بیان گردید، یک مدل استاندارد دو فاز αβ (در این مدل محورهای مربوط به استاتور به صورت ثابت بوده در حالی که محورهای مربوط به رتور با سرعت زاویه‌ای (الکتریکی) رتور می‌چرخند.) از یک موتور القایی قفس سنجابی با p جفت قطب با فاصله هوایی یکنواخت که دارای ne=4 وns=nr=2 بوده و برای پارامترهای الکتریکی آن داریم:
(4-16) De(qm)=LsI2LsreJnp qmLsre-Jnp qmLrI2
(4-17) Re=RsI200RsI2 (4-18) Me=I20(4-19) J=0-110= -JT(4-20) eJnpqm=cos(np qm)-sin(np qm)sin(np qm)cos(np qm)(4-21) e-Jnpqm=(eJnp qm)TLs,Lr,Lsr>0 به ترتیب ماتریس‌های اندوکتانس استاتور و رتور و متقابل می‌باشند.Rr,Rs>0 به ترتیب مقاومت‍های استاتور و رتور بوده و.I2 هم یک ماتریس همانی 2×2 است. (اورتگا، 1998)
معادلات دینامیکی به صورت استفاده مستقیم از معادلات EL (3-21) بدست می‌آیند، همانگونه که در بخش 4-4 با فرم لاگرانژ (4-5) بیان می‌گردند. در نتیجه داریم:
(4-22) De(qm)qe+W1(qm)qmqe+Reqe=Meu(4-23) Dmqm+Rmqm=-τqe,qm-τL(4-24) τqe,qm=12qeTW1(qm)qeکه W1(qm)=dDe(qm)dqm=0npLsrJeJnp qm-npLsrJe-Jnp qm0 qe≜qsT,qrT=[qs1,qs2,qr1,qr2]T بردار جریان بوده و qm سرعت زاویه‌ای رتور می‌باشد.
Dm>0 اینرسی رتور است. سیگنال‌های کنترلی u=[u1 ,u2]T ولتاژهای استاتور بوده و τLگشتاور بار خارجی است. Rm>0 ثابت میرایی چسبندگی مکانیکی1 می‌باشد.
بردار شار λ≜λsT,λrT=[λs1,λs2,λr1,λr2]T تحت معادله (4-25) به بردار جریان qe وابسته است.
(4-25) λ=De(qm)qeکه دومین معادله از معادلات برداری فوق معادله
(4-26) λr=Lsre-Jnp qmqs+Lrqrمی‌باشد که برای استفاده در تحلیل بعدی لازم است.
1. Mechanical viscous damping constant
همچنین توجه داشته باشید که به علت سیم‌پیچ‌های اتصال کوتاه شده در رتورهای قفس سنجابی دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت معادله (4-27) تبدیل می‌شود.(اورتگا، 1998)
(4-27) λr+Rrqr=04-6-2 بعضی از ویژگیهای کنترلی مدل
4-6-2-1 ویژگی‌های ورودی-خروجی:
مدل ماشین القایی تشریح شده در بخش 4-6، یک مورد خاص از مدل ماشین عمومی (4-11)-(4-14) می‌باشد. در نتیجه این مدل ویژگی‌های پسیویتی بیان شده در قضیه 4-1 را دارا می‌باشد.
به ویژه که، مدل (4-11) - (4-12) می‌تواند به فرم قانون دوم نیوتن باز نویسی شود، داریم:
(4-28) Dqqجرم × شتاب =-W1qmqeqm12qe⊤W1qmqe-Rq+Mu+ξ نیروها جمعکه درآن داریم: D(q)=diagDeqm,Dm و R=diag{Re,Rm} و M=[Me⊤,0]⊤ و q= [qe⊤,qm]⊤ ξ=[0,-τl]⊤ .
جمله دوم در بخش سمت راست معادله (4-28)، مربوط به نیروهای اتلافی می‌باشد، در حالی که دو جمله آخر بخش سمت راست شامل نیروهای خارجی می‌باشد. بن مایه اصلی فلسفه طراحی برمبنای پسیویتی آشکار ساختن نیروهای بی‌اثر می‌باشد که در این مورد جمله اول بخش سمت راست معادله بالا می‌باشد که براحتی می‌تواند با کل انرژی سیستم ایجاد شود:
(4-29) τ(q,q)=12q⊤D(q)qکه دارای نرخ تغییر (کار سیستم)
(4-30) T=q⊤(-Rq+Mu+ξ)نیروهای بی‌اثر بر تراز انرژی سیستم اثری نمی‌گذارد که در نتیجه از انتگرال‌گیری از معادله بالا داریم:
(4-31) τ(t)-τ(0)شده ذخیره انرژی=0tq⊤Rqdsشده تلف+0tq⊤Mu+ξdsشده وارد به عنوان نتیجه باید گفت که اثر این نیروها می‌تواند به زبان ساده در تحلیل پایداری نا‌دیده گرفته شود. همچنین معادله تراز انرژی اثبات می‌کند که نگاشت [u⊤,τL]⊤→[qs⊤,qm]⊤ با تابع ذخیره τ(q,q) پسیو می‌باشد. به علاوه همانگونه که در بخش 4-5 نشان داده شد، مدل موتور می‌تواند به صورت یک اتصال فیدبک به دو زیرسیستم پسیو با توابع ذخیره به ترتیب τe(qm,qe) وτm(qm) تجزیه گردد.(اورتگا، 1998)
4-6-2-2 ویژگیهای هندسی:
حال ویژگی "قابلیت معکوس پذیری" مدل موتور القایی بیان می‌گردد. لازم به ذکر است این ویژگی برای بدست آوردن یک بیان واضح( explicit ) از یک کنترل‌کننده تعقیب گشتاور مبتنی بر پسیویتی حیاتی می‌باشد. از(4-2)-(4-3) دیدیم که گشتاور به صورت زیر نوشته می‌شود.
(4-32)τ=12qe⊤W1qmqe=npLsrqs⊤JeJnp qmqr

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

که درآن ارتباط بین Jو eJnp qm به صورت JeJnp qm=eJnp qmJ می‌باشد که از خاصیت پاد متقارن بودن این ماتریس (skew-symetry) J (یعنی J⊤=-J⇒x⊤Jx=0, ∀x∈R2 ) استفاده شده است.
حال (4-26) را برای qr حل می‌کنیم داریم:
(4-33) qr=1Lr(λr-Lsre-Jnp qmqs)و با جایگذاری (4-33) در (4-32) داریم:
(4-34) τ=npLsrLrqs⊤JeJnp qmλrدر نهایت (4-26) را برای qs حل می‌کنیم داریم:
(4-35) qs=1LreJnp qm(λr-Lrqr)وبا جایگذاری (4-35) آن در(4-34) داریم:
(4-36) τ=-npqr⊤Jλr=npRrλr⊤Jλrکه برای qr=-1Rrλr از معادله (4-27) استفاده شده است. این یک نکته کلیدی است که ما در بخش 4-4 برای وارون‌سازی دینامیکی سیستم استفاده کردیم. در این مورد (4-15) فرم زیر را بدست می‌دهد:
(4-37) λr=τλrRrnpJλrهمانطور که دیدیم، معادله فوق نشان می دهد که دینامیک‌های صفر موتور با خروجی‌های τ و λr پریودیک هستند. این واقعیت بسیار واضح‌تر دیده می شود اگر سرعت شیب (slip speed) را به صورت زیر بنویسیم:
(4-38) ρ=ddtarctanλr2λr1=11+λr2λr12λr2λr1-λr2λr1λr12 =1λr2λr⊤Jλr =Rrnpλr2τاز این معادله مشخص می‌شود که اگر τ و λr در مقادیر ثابتی باقی بمانند، شار رتور در یک سرعت ثابت می‍چرخد، این نشان می‌دهد که گشتاور می‌تواند با کنترل کردن اندازه شار رتور و سرعت لغزش کنترل شود. (اورتگا، 1998)
4-6-3 تعریف (مسأله تعقیب سرعت و اندازه شار رتور)
مدل موتور القایی 6 وجهی بیان شده در بالا را در نظر بگیرید که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T می‌باشد، ورودی‍های ولتاژهای استاتور یعنی u ∈R2، سرعت خروجی تنظیم شده qm و شار رتور λr .
فرض کنید:
1- جریان‌های استاتور qs، سرعت رتور qm و موقعی qm ابل اندازه‌گیری هستند.
2- تمامی پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
3- گشتاور بار τL(t) یک تابع معلوم و محدود با مشتق اول کراندار و معلوم می‌باشد، به صورت زیر:
τl(t) ≤C1<∞ , ∀ ∈0 ,∞4- سرعت مطلوب رتور qm*(t) یک تابع کراندار ومشتق پدبر از مرتبه دوم بوده و مشتقات مرتبه اول و دوم آن کراندار می‌باشند به صورت
qm*(t)≤C2 <∞ , ∀t ∈ 0 ,∞ 5- اندازه شار مطلوب رتور β*(t) یک تابع اکیداً پسیو و کراندار و مشتق‌پذیر از مرتبه دوم بوده ومشتقات مرتبه اول و دوم معلوم و کراندار دارد به صورت:
0<δ1≤βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ , βα≤βα<∞ تحت شرایط گفته شده، طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی سراسری سرعت و اندازه شار رتور را تضمین می‌کند یعنی
limt→∞qm-qm*(t)=0 limt→∞λr-β*(t)=0با کراندار و یکنواخت بودن تمامی سیگنال‌های داخلی.(اورتگا، 1998)
4-7 یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی حلقه‌ای تودرتو:(Nested-Loop PBC)
در این بخش ما مسأله تعقیب سرعت-موقعیت را با اضافه یک کنترل‌کننده در حلقه بیرونی کنترل‌کننده قبلی حل می‌کنیم که نتیجه آن یک کنترل‌کننده حلقه‌ای تودرتو یا Nested-loop (یا کاسکود یا آبشاری) طبق شکل (4-5) می‍باشد.
????
شکل (4-5): ساختار یک کنترل تودرتو(Nested-Loop)
در این کنترل‌کننده Cil یک کنترل PBC تعقیب گشتاور حلقه داخلی بوده و Col یک کنترل سرعت حلقه بیرونی می‌باشد که گشتاور مطلوب τd را تولید می‌کند. می‌توان نشان داد که Col به عنوان یک سیستم LTI که به صورت مجانبی دینامیک‌های مکانیکی را پایدار می‌کند در نظر گرفته می‌شود. اشکال عمده‌ی تکنیکی این روش طراحی این است که Cil به معلوم بودن τd نیاز دارد. به همین ترتیب نشان‌دهنده نیاز به اندازه qm دارد. برای غلبه بر این مشکل qm را با مشتق تقریبی آن ، با حفظ ویژگی پایداری سراسری جایگزین می‌کنیم.
در این پایان‌نامه یک کنترل‌کننده تعقیب سرعت و اندازه شار رتور بدون مشاهده‌گر به طور کلی تعریف و اثبات خواهد شد. همچنین نشان داده می‌شود که چگونه این کنترل‌کننده با یک انتگرال‌گیری از جریان‌های استاتور مقاوم می‌شود.(اورتگا، 1998)
4-7-1 کنترل گشتاور مبتنی بر پسیویتی بدون مشاهده‌گر
مدل موتور القایی با معادلات دینامیکی (4-22)-(4-24)را در نظر بگیرید، که بردار حالت آن [qeT,qm,qm]T، بردار ورودی آن ولتاژهای استاتور u∈R2 و خروجی‌های تنظیم شده شامل جریان‌های استاتور qe بوده و گشتاور الکترومغناطیسی Te به عنوان کنترل غیرمستقیم در نظر گرفته می‌شود.
فرضیات:
تمام پارامترهای موتور به طور کامل معلوم می‌باشند.
جریانهای استاتور qs و سرعت رتور qm قابل اندازه گیری می‌باشند.
گشتاور بار TL یک تابع معلوم و کراندار و دارای مشتق مرتبه اول می‌باشد، به طوری که
TL(t)≤c1<∞ , ∀t∈0,∞گشتاور الکترومغناطیسی Te* یک تابع معلوم و کراندار می‌باشد، به طوری که
Te*(t)≤c2<∞ , c1< c2 , ∀t∈0,∞تحت این شرایط طراحی یک کنترل‌کننده مبتنی بر پسیویتی تعقیب مجانبی جامع گشتاور الکترومغناطیسی را تضمین می‌کند، یعنی limt→∞Te-Te*=0 . کنترل‌کننده گشتاور الکترومغناطیسی را طی مراحل زیر طراحی می‌کنیم:
الف-پسیویتی اکید با تزریق میرایی
اولین مرحله از روند طراحی تجزیه مدل دینامیکی موتور به دو زیرسیستم الکتریکی ∑e و مکانیکی ∑m می‌باشد که در بخش‌های قبلی به طور کامل توضیح داده شد. در این مرحله نشان می‌دهیم که چگونه میرایی به زیرسیستم الکتریکی تزریق می‌گردد به طوری که نگاشت ورودی کنترل به خروجی قابل اندازه‌گیری « اکیداً غیرفعال خروجی » باشد.
برای اطمینان از پایداری زیرسیستم الکتریکی فیدبک خروجی به فرم زیر انتخاب می‌شود:
(4-39) u=v-K1(qm)qsکه K1(qm)qe جمله تزریق میرایی می‌باشد.
بلوک دیاگرام نشان داده شده در شکل (4-6) این مرحله به صورت مشخص نشان می‌دهد. نگاشت v⟼qs اکیداً غیرفعال خروجی می‌باشد.(اورتگا، 1998)
شکل(4-6) : بلوک دیاگرام تزریق میرایی به زیر سیستم الکتریکی
ب- جریان مرجع و شکل‌دهی انرژی
یک جریان مرجع مناسب qed برای تولید گشتاور الکترومغناطیسی مرجع Te*تعیین می‌شود، به شرطی که اگر qe≡qed آنگاه Te≡Te*. به علاوه بر این، اگر qed کراندار باشد، Te و qe و qm نیز کراندار باشند. افزون بر این، کراندار بودن qed نشاندهنده کراندار بودن qe و v می‌باشد. اگر v و qed در رابطه (4-40) صدق کنند آنگاه داریم qe=qe-qed→0 به ازای t→∞ به طوری که مستقل از qm و qm ونوع انتخاب qed باشد.
(4-40) Mev=Deqmqed+Ceqm,qmqe+Resqm,qmqeکه در آن Ceqm,qm=12W1(qm)qm بوده و Resqm,qm=Re+12W1(qm)qm+K1(qm)000 .
و برای بردار جریان مرجع qed داریم limt→∞=qe-qed=0 .
در پایان سیستم حلقه بسته دارای تابع انرژی مطلوب به صورت Hed=12qeTDeqmqe می‌باشد. این مرحله را اصطلاحاً مرحله شکل‌دهی انرژی می‌گویند.(اورتگا، 1998)
ج- تعقیب گشتاور توسط تعقیب جریان
بر اساس معادله (4-24) برای تعریف qed برای داشتن که گشتاور مرجع داده شده Te* معادله زیر پیشنهاد می‌شود:
(4-41) Te*qed,qm=12qedTW1(qm)qedسپس با استفاده از معادله (4-24) داریم:
(4-42) Te-Te*=12qedTW1qmqed+qeTW1(qm)qedچون W1(qm) کراندار است، در نتیجه آن خواهیم داشت که اگر شرط limt→∞=qe-qed=0 برقرار باشد تعقیب مجانبی گشتاور بدست خواهد آمد.
د- کنترل گشتاور
بردار شار λ=λsT,λrTT توسط معادلات زیر با بردار جریان ارتباط پیدا می‌کند:
(4-43) λ=Deqmqeو
(4-44) λr=Lsre-Jnpqmqs+Lrqrبه خاطر سیم‌پیچهای اتصال کوتاه شده در رتور قفس سنجابی، دومین معادله از معادلات (4-22) به صورت
(4-45) λr+Rrqr=0داده میشود، که با ترکیب آن با معادلات (4-24) و (4-44) معادله گشتاور الکترومغناطیسی به صورت زیر داده می‍شود:
(4-46) Te=npLsrLrqeTJeJnpqmλrمعادله (4-46) می‌تواند برای بدست آوردن qs حل شود که داریم:
(4-47) qs=1LsreJnpqm(λr-Lrqr)حال با جایگذاری آن در (4-46) با استفاده از (4-45) خواهیم داشت:
(4-48) Te=-npqrTJλr=npRrλrTJλrبرای گشتاور مرجع Te* ، یک شار روتور مطلوب λrd توسط معادله دیفرانسیل زیر داده می‌شود:
(4-49) λrd=Rrnpβ*2Te*Jλrd , λrd0=β*(0)0که در آن β* قدرمطلق λrd می‌باشد.(اورتگا، 1998)
ه- تعقیب سرعت و اندازه شار رتور
در پایان، با ترکیب معادلات (4-39) و (4-40) و (4-44) و (4-47) و (4-49)، ورودی کنترل u در شکل (4-5) به صورت کلی زیر بدست خواهد آمد:
(4-50) u=Lsqsd+LsreJnpqmqrd+npLsreJnpqmqmqrd+Rsqsd-K1(qm)qsکه در آن
(4-51) qed=qsdqrd=1Lsr[I2+Lrnpβ*2Te*J]eJnpqmλrdTe*npβ*2Jλrdو داریم، qe=qs-qsd .
اگر ما انتخاب کنیم که K1qm=np2Lsr24εqm2+K1 با شرط 0<ε≤Rr , K1≥0 آنگاه می‌توان گفت که ماتریس Res در معادله (4-40) مثبت معین خواهد بود.
(4-52) Te*=Dmqm*-z+TLکه در آن z=-az+bqm- qm*, a,b>0 , z0=qm0-qm*(0)و داریم برای تخمین گشتاور بار از این عبارت استفاده شده است: TL=-γτLe , γτL≥0که البته برای کنترل سرعت e=qm- qm* یعنی e خطای سرعت رتور می‌باشد.
شکل(4-7) : بلوک دیاگرام کنترل‌کننده گشتاور
برای کنترل سرعت بخش معادلات فوق در مقالات اصلی پسیویتی ارائه شده است، در واقع یک فیلتر خطی از خطای تعقیب سرعت و تخمین گشتاور بار توسط اورتگا و دیگران ‌‍[3] ارائه گردیده است، که نمودار (4-7) بلوک دیاگرام آن را به نمایش می‌گذارد.
و- کنترل‌کننده پیشنهادی
در این پایان‌نامه، کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی، یک کنترل‌کننده PI را بوده و همچنین خروجی گشتاور مطلوب در یک محدوده مشخص قرار گرفته است. به عبارت دیگر کنترل‌کننده سرعت با توجه به توان موتور محدود شده است.
بنابراین کنترل‌کننده PI باعث می‌شود که گشتاور مرجع در ناحیه پایدار محدود شده تغییر کند. از منظر مبحث انرژی، می‌توان گفت که کل انرژی سیستم کنترل سرعت محدود شده است و در نتیجه پایداری کل سیستم تضمین خواهد شد.
کنترل‌کننده سرعت پیشنهادی به صورت زیر تعریف می‌شود:
(4-53) T'=Kpqm+KIqmdt(4-54) Te*=Temax اگر T'>TemaxT' اگر Temax> T'>TeminTemin اگر T'<Teminکه در آن qm=qmd-qm , KP>0 , KI>0 و Temax و Temin به گشتاور نامی مرتبط می‌باشند. با اعمال معادله (4-54) خطای ماندگار سرعت رتور به صفر همگرا می‌شود، یعنی limt→∞qm=0 . بلوک دیاگرام مربوط به این قسمت از کنترل‌کننده پیشنهادی به صورت شکل (4-8) می‌باشد. با محدود کردن گشتاور به مقادیری ثابت حداقلی و حداکثری در کنترل‌کننده بهبود در نتایج کنترل‌کننده را انتظار داریم.
شکل(4-8) : بلوک دیاگرام مربوط به کنترل سرعت موتور القایی
معادله (4-54)
معادله (4-53)
شکل) 4-9( : بلوک مربوط به کنترل سرعت پیشنهادی
کنترل‌کننده سرعت
معادلات (4-53) و (4-54)
تبدیل 3 به 2
∫کنترل‌کننده گشتاور
فیلتر فیدبک
اندازه‌گیری wr
تبدیل 2 به 3
معادله (4-49)
معادله (4-51)
معادله (4-50)

_ wr

—d1522

عملکرد اندوکرین NPW37
کورتیزول38
کورتیزول و فعالیت بدنی39
متابولیسم انرژی در فعالیت ورزشی41
فعالیت ورزشی فزاینده و شدید41
فعالیت ورزشی دراز مدت41
تاثیرات اسمولاریته بروی هورمون ها42
ارتباط کورتیزول با واسطه های متابولیکی43
ارتباط هورمون کورتیزول با اسید لاکتیک44
ارتباط هورمون کورتیزول با کراتینین44
کورتیزول و چاقی45
2-5-5-1) لینک پتانسیل بین کورتیزول و اشتها46
اثرات مضر چاقی ناشی ازکورتیزول46
تیروکسین47
تاثیر تیروکسین بر متابولیسم: 47
بی حرکت حاد و مزمن بر روی هورمون تیروئیدی48
هورمون های تیروئیدی و لپتین50
هورمون های تیروئیدی وگیاهان داروی51
2-7)جمع بندی 52
فصل سوم- روش شناسی پژوهش
3-1) روش پژوهش 54
3-2) طرح پژوهش54
3-3) جمع آوری وشیوه عصاره گیری ولیک (سرخ وسیاه) 55
3-3-1) جمع آوری میوه ولیک (سرخ وسیاه) 55
3-3-2) عصاره گیری آبی میوه ولیک (سرخ وسیاه) 55
3-3-3) مقدار دوز عصاره مصرفی موش ها55
3-4) جامعه و نمونه آماری و روش نمونه گیری56
3-5) محیط پژوهش56
3-6) تغذیه آزمودنی ها57
3-7) دوره و زمان بندی تمرینی57
3-8) وسایل و ابزار استفاده شده در پژوهش59
3-9) متغیرهای پژوهش60
3-9-1) متغیر مستقل60
3-9-2) متغیرهای وابسته60
3-10) روش اندازه گیری متغیرهای پژوهش60
3-10-1) روش اندازه گیری متغییر های وابسته61
3-10-1-1) روش اندازه گیری NPW 61
3-10-1-2) روش اندازه گیری هورمون کورتیزول 61
3-10-1-3) روش اندازه گیری هورمون T461
3-11) روش اندازه گیری ترکیبات سرخ ولیک , سیاه ولیک با استفاده از GC-MS : 62
3-12) روش ها آماری62
فصل چهارم- تجزیه وتحلیل
4-1) مقدمه65
4-2) توصیف داده ها65
4-2-1) مشخصات آزمودنی های حیوانی65
4-2-2) یافتههای مربوط به متغیرهای مورد مطالعه66
4-3) تجزیه و تحلیل استنباطی یافتههای پژوهش66
4-3-1) یافته های مربوط به نوروپپتید W پلاسمایی68
4-3-2) یافته های مربوط به نوروپپتید w کبدی72
4-3-3) یافته های مربوط به کورتیزول پلاسمایی76
4-3-4) یافته های مربوط به هورمون تیروئید T481
فصل پنجم- بحث ونتیجه گیری
5-1) مقدمه88
5-2) خلاصهی پژوهش88
5-3) بحث و بررسی(نوروپپتید w پلاسمایی و کبدی ، هورمون کورتیزول و T489
5-4) نتیجهگیری93
5-5) پیشنهادات برای پژوهشهای بیشتر94
منابع..................................................................................................................................................................................................95
چکیده انگلیسی112
فهرست شکل
عنوان صفحه
شکل 2- 1) تنظیمات جبرانی دریافت و مصرف کالری 15
شکل 2 – 2) طراحی شماتیک ساده از مناطق هیپوتالاموس 17
شکل 2 – 3) گردش هورمون های موثر بر تعادل انرژی از طریق هسته کمانی 20
شکل 2-4 ) تنظیم مصرف غذا 23
شکل 2-5) فعال سازی سلول های عصبی NPY / AGRP 25
شکل 2-6) گرلین قبل و بعد از دریافت غذا28
شکل 2- 7 ) لپتین 30
شکل 2- 8) فرق نوروپتیید 23- w و نوروپتیید 30- w ( انسان ، خوک ، رت ، موش)32
شکل 2- 9 ) تصویر شماتیک بر اساس یافته های مطالعات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی تنظیم اشتها در هیپوتالاموس توسط سلول های عصبی NPW و پپتید مرتبط با تغذیه در هیپوتالاموس36
شکل 3-1) مراحل اجرای طرح تحقیق در موش های صحرایی نر58
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 2-1) مولکول های سیگنالی کاندید در هموستاز انرژی در CNS 22
جدول 3-1) حجم نمونه و مشخصات آزمودنی های هر گروه56
جدول 3- 2) پروتکل تمرین 8 هفته ای59
جدول 3- 3) مقادیر متغیر های مربوطه برای استخراج الکلی روغن سرخ ولیک63
جدول 4-1)، میانگین و انحراف استاندارد وزن موش های مورد پژوهش65
جدول 4-2) شاخص های توصیفی متغیرهای اصلی پژوهش66
جدول (4-3)، نتایج آزمون لون جهت بررسی هم واریانسی گروه های تحقیق67
جدول4-4) آزمون تحلیل واریانس یک طرفه برای مقایسه نوروپپتید W پلاسمایی68
جدول4-5) آزمون تحلیل واریانس یک طرفه برای مقایسه نوروپپتید W کبدی72
جدول4-6) آزمون تحلیل واریانس یک طرفه برای مقایسه کورتیزول پلاسمایی 76
جدول 4-7) نتایج آزمون توکی برای بررسی تفاوت بین گروه ها در کورتیزول پلاسمایی 77
جدول4-8)، آزمون تحلیل واریانس یک طرفه برای مقایسه هورمون تیروئید T4 81
جدول( 4-9) نتایج آزمون توکی برای بررسی تفاوت بین گروه ها در هورمون تیروئید T482
فهرست نمودار ها
عنوان صفحه
نمودار (4-1)، مقایسه سطوح نوروپپتید w پلاسمایی گروه های تحقیق71
نمودار (4-2)، مقایسه سطوح نوروپپتید w کبدی گروه های تحقیق75
نمودار (4-3)، مقایسه سطوح کورتیزول پلاسمایی گروه های تحقیق80
نمودار (4-4)، مقایسه سطوح هورمون تیروئید T4 گروه های تحقیق85
فصل اول:
طرح پژوهش

1-1: مقدمه
تغییر سبک زندگی و عدم توجه به برنامه های غذایی، جوامع امروزه را به سمت افزایش وزن، چاقی و عدم مدیریت اشتهای کاذب و به همراه آن به سوی بی تحرکی سوق داده است. چاقی و افزایش بیش از حد بافت چربی یکی از مشکلات سلامت در کشورهای مختلف جهان است که به دنبال تغییر شرایط زندگی و کاهش فعالیت فیزیکی و در نتیجه عدم تعادل انرژی دریافتی و مصرفی رخ می دهد. در سالهای اخیر، چاقی شیوع رو به افزایشی داشته است ]2،1[. چاقی، به عنوان بحران سلامت عمومی شناخته می شود ]3[.
شیوع چاقی و پیشرفت سریع آن موجب شده که پژوهش ها به سمت تنظیم و تعادل وزن بدن پیش رود. در اصل، چاقی و اضافه وزن نتیجه عدم تعادل انرژی است که به موجب آن انرژی دریافت شده بیشتر از انرژی مصرف شده است. یکی از عوامل تاثیرگذار بر چاقی میزان دریافت غذاست. دریافت غذا رفتار پیچیده ای است که سطوح مختلف کنترلی و تنظیمی را در بر می گیرد ]4[. افزایش وزن و یا چاقی که خود مقدمه بسیاری از بیماری های انسانی و مرگ و میر شده است. امروزه در حوزه بهداشت، سلامت و شیوع شناسی و به تازگی در حوزه فیزیولوژی ورزش با عنایت بر تاثیر فعالیت بدنی و ورزشی در اشکال مختلف در مدیریت وزن و تنظیم و تعادل انرژی، توجهات در جهت ساز و کارهای اصلی درگیر جلب شده است. اگر چه هنوز معادله انرژی، هزینه کرد و انرژی دریافتی جزء پایه ای پژوهش های حوزه سلامت تلقی می شود. اما تغییرات در نوع منبع بکارگیری جهت تامین انرژی های سلولی در بدن که بخش قابل ملاحظه ای از آن توسط هیپوتالاموس و بخش دیگری که از اهمیت نیز برخوردار است، توسط عوامل محیطی کنترل می شود. در دهه های گذشته تا قبل از کشف و معرفی تعدادی از پروتئین ها و پپتیدهای موثر در تنظیم انرژی، عقیده بر این بوده است که دستگاه عصبی مرکزی، به ویژه هیپوتالاموس تنها اندام درگیر در تنظیم تعادل انرژی و سوخت و ساز است. اکنون دیگر مطلق بودن حاکمیت هیپوتالاموس در کنترل تعادل و تنظیم انرژی جای خود را به همگرایی مرکز و محیط داده است، به همین خاطر پژوهشگران پپتیدهای مرتبط با کنترل و تنظیم انرژی و اشتها، دریچه ای نو را به سوی این دنیای عظیم موثر بر روند زندگی سالم باز کرده اند]7،6،5[.
با این وجود، به نظر می رسد که هنوز هیپوتالاموس محوریت لازم را در کنترل تعادل انرژی، سوخت ساز قند و اشتها داشته باشد. شاید به این خاطر باشد که تعداد زیادی از نورپپتیدهای مترشحه (AGRP،NPY،CART،POMC ، اورکسین، MCH ، گالانین ، پپتید شبه گلوکاکن، عامل رهایی کورتیکوتروپین) از این اندام در مقایسه با اندامهای محیطی دیگر مشارکت بیشتری را در این امر دارند ]8[. نوروپپتید w یکی از این نوروپپیدهاست که نقش مهمی در متابولیسم تغذیه و انرژی دارد ]9[.
1-2: بیان مسئله:
تمرین و فعالیت بدنی به عنوان یکی از عوامل موثر در تحلیل منابع انرژی سلولی از جمله گلوکز و گلیکوژن است، که می تواند تغییراتی در پپتیدهای و هورمون های موثر بر تنظیم و تعادل انرژی بوجود آورد. همچنین اظهار شده است که بازسازی و ریکاوری آنی ذخایر انرژی از جمله گلوکز و گلیکوژن نیز می توانند بر غلظت این پپتیدها اثرگذار باشند. در صورت عدم بازسازی مناسب و به موقع با مشکلاتی چون تغییر در غلظت پپتیدهای موثر بر تنظیم انرژی مواجه خواهیم شد. عدم تعادل بین پپتیدهای مهارگر و تحریک کننده دریافت غذا مانند لپتین، AGRP,NPY,CART,POMC, و گرلین به عنوان عوامل دخیل در روند سازوکاری می تواند به افزایش درصد چربی بدن، چاقی و غلبه روند اشتهاآوری بر ضد اشتهایی شود. اتخاذ راه کاری صحیح و آنی برای مقابله با این عدم تعادل می تواند از اختلالات سوخت و سازی تعادل و تنظیم انرژی (افزایش وزن یا کاهش غیرمنطقی، اتلاف انرژی) جلوگیری نماید. هرچند نوروپپتیدw در انسان اخیرا کشف شده است]10[ اما از زمان کشف نروپپتایدها، دانش ما از تنظیم وزن، اشتها و تعادل انرژی به نحو چشمگیری افزایش یافت. بسیاری از متخصصان حوزه سلامت، بهداشت و به خصوص تنظیم وزن، امیدوارند که با شناسایی جنبه های مهم و ناشناخته این نروپپتایدها و عوامل موثر بر آنها به روش های درمانی کارآمد و کشف داروهای جدیدی را برای امراضی چون چاقی دست یابند .امروزه تقریبا تاثیر نوروپپتیدها بروی هورمون ها ثابت شده است. از طرفی تغییر در هورمون ها نیز باعث تغییر در وزن بدن می شود.گزارش های رسیده نیز نشان می دهد که NPW نه تنها در تنظیم انرژی بلکه در هموستاز هورمونی نیز نقش دارد، ]11[
هورمون ها نقش مهمی در تنظیم اشتها، متابولیسم بدن و تنظیم سطح انرژی دارند]12[. فعالیت و تمرینات ورزشی روی سطوح خونی هورمون ها تاثیر می گذارند و به کاهش یا افزایش سطح برخی از هورمون ها نسبت به حالت استراحت منجر می شوند. در واقع این نوسانات هورمونی را می توان واکنش بدن در برابر فشارهای تمرینی قلمداد کرد، تا حالت هموستاز بدن برقرار شود ]13،14[. عدم تعادل در سطح هورمون ها در گیر در اشتها ( انسولین ، گلوکاگون ، کورتیزول و هورمون‌های غده تیروئید) می تواند به افزایش وزن منجر شود.
هورمون کوتیزول که یک گلوکوکورتیکوئید است ، و از بخش قشری غدد فوق کلیوی ترشح می شود، نقش بسزایی در برقراری این هموستاز دارد ]15[ . کورتیزول به طور مستقیم بر ذخیره چربی و افزایش وزن در افراد تاثیر دارد . یکی از اثرات مهم کورتیزول، نقش آن روی سوخت و ساز کربوهیدرات ها، پروتئین ها و چربی ها است.این هورمون فرآیند گلوکونئوژنز را از اسیدهای آمینه تسهیل، لیپوژنز کبد را کاهش و چربی های موجود در بافت چربی را به حرکت در می آورد . کورتیزول سوبسترای لازم را برای عمل گلوکرنئوژنز (اسیدهای آمینه) و سوخت های جایگزین را برای متابولیسم انرژی عضله اسکلتی (اسیدهای چرب) تامین کند]16،17،18،19[
هورمون تیرکسین یکی از هورمون های مهم متابولیسمی بدن است ]20[. که توسط غده ی تیرویید که تحت تاثیر محور هیپوتالاموس- هیپوفیز- تیرویید ( H-P-T) است ،تنظیم می شود ]21[ . در بررسی های متعدد ، اثر بسیاری از عوامل مانند دمای محیط ، استرس ، هورمون های دیگر ، ترکیبات شیمیایی ، نوسانات شبانه روزی ،... بر محور نامبرده به اثبات رسیده است. هورمون تیرویید ارتباط ویژه ای با رشد ، اشتها ، متابولیسم ، تنظیم اسمزی و تولید مثل دارد ]22[ افزایش میزان سوخت و ساز پایه، اثر اصلی هورمون های تیروئید است. عمل عمده ی این هورمون ها افزایش سوخت و ساز قندها و چربیها است]23[.
از طرفی استفاده از مواد مغذی ، به ویژه مواد قندی،اسیدهای چرب، نوشیدنی های ورزشی حاوی اسیدهای آمینه ، مواد معدنی و ویتامین ها ، آنتی اکسیدنها پس از تمرین و فعالیت بدنی، برای بازسازی سریع و افزون سازی منابع انرژی (گلیکوژن و ATP ) و کنترل وزن و اشتها توسط متخصصین و مربیان آگاه توصیه شده و می شود. در این راستا، استفاده از مکمل های غذایی طبیعی و صناعی بر عملکرد ورزشی، توازن بین اکساینده ها و ضد اکسایش کننده های بدن، توسط ورزشکاران ، مربیان ، متخصصین و پژوهشگران توصیه و بررسی شده است. علاوه بر موارد فوق، تاثیر برخی از گیاهان خوراکی و دارویی از قبیل: شنبلیله ]24[ ، برگ ریحان ]25[، توت هندی ]26[، لئوکاس سفالوتز (نوعی علف هرز خوراکی در هند) ]27[، بر روند بازسازی منابع انرژی به ویژه گلیکوژن در نمونه های حیوانی مطالعه شده است. با این وجود در هیچ یک از پژوهش های انجام شده به تاثیر این گیاهان دارویی و غذایی بر پپتیدهای درگیر در تنظیم تعادل انرژی، سوخت وساز قند، اشتها و وزن، با و یا بدون فعالیت بدنی و تمرین مورد توجه قرار نگرفته است. همچنین ، ولیک به عنوان یک گیاه دارویی منحصر به فرد از حیث ترکیبات و خواص به طور جدی در حوزه ی فیزیولوژی ورزش مورد توجه قرار نگرفته است.
ولیک یکی از قدیمی ترین گیاهان دارویی در طب اروپایی می باشد و برای اولین با توسط دیوسکورید در قرن 1 شرح داده شد]28[. عصاره ولیک از گل، برگ و میوه این گیاه مشتق می شود. مطالعه بالینی کمی به بررسی میوه ولیک به تنهایی پرداخته است ]29[. برگ، گل و میوه ولیک دارای مقادیر زیادی پروسیانیدین الیگومریک ، فلاونوئیدها می باشد، که مسئول اثر دارویی آن است]30[.
گیاه ولیک سرخ با اسامی مختلفی از قبیل هاثرن و از خانواده روزاسه به صورت سنتی به عنوان تونیک قلبی استفاده می شود. ترکیبات مختلفی در ولیک سرخ وجود دارد که شامل: ساپونین های تری ترپن، فلاونوئیدها، کاتیشن، اپی کاتشین می باشد ]31[.
گزارش شده است سرخ ولیک یک گیاه دارویی با ارزش از تیره گل سرخ است که امروزه در درمان ضایعات قلبی و گردش خون و به ویژه به عنوان ضد عفونت ها و آنتی اکسیدان، تب بر قابل استفاده می شو د؛ و اهمیت دارویی آن به دلیل وجود ترکیبات فنلی است که در این رده فلاونوئیدها نقش دارویی مهمی دارند]32[.همچنین مصرف آنتی اکسیدانهای غذایی می تواند از شیوع بیماری های متابولیک کم کند]33[.فلاونوئیدها بخاطر آنتی اکسیدان بودن در تنظیم تغذیه دخیل است و باعث تنظیم چربی خون ،تنظیم متابولیسم گلوکز و کربوهیدارت می شود ]34[ .
بنابراین ، این پژوهش قصد دارد تا تأثیر همزمانی تمرین با شدت بالا را به همراه دو نوع ولیک ( کراتاگوس ) سرخ و سیاه بر شاخص های مربوط به اشتها را در نمونه حیوانی ( مریوط به موش های نر) مورد ارزیابی قرار دهد. آیا تمرین شدید بر سطوح نوروپپتید W ، T4 ، کورتیزول پلاسمایی و بر سطوح نوروپپتید W کبدی درموش های صحرایی نر اثر دارد؟ آیا مکمل سازی آبی ولیک بر سطوح نوروپپتید W ، T4 ، کورتیزول پلاسمایی و بر سطوح نوروپپتید W کبدی درموش های صحرایی نر اثر دارد؟.
1-3: ضرورت و اهمیت تحقیق:
از آنجایی که بررسی و نمونه برداری بافت های انسانی از دشواری های زیادی برخوردار است و پژوهش های انجام شده بر روی مدل های حیوانی که شباهت های عملکردی با انسان دارند، می تواند تا حدودی بیانگر رخدادهای عملکردی در انسان باشند، از این رو در مطالعه حاضر انجام پژوهش روی پلاسما و بافت موش های صحرائی نر صورت پذیرفته است.
همان طور که گفته شد چاقی و اضافه وزن از یک سو و کمبود وزن و بی اشتهایی از سوی دیگر دو انتهای طیفی می باشند که همواره سلامتی جامعه را تهدید کرده و به عنوان یکی از معضلات جوامع امروزی باشند. شیوع گسترش چاقی و بیماری های مرتبط با آن در سطح جهان، شاهدی بر این مدعاست که پیشرفت های علمی در زمینه شناخت عوامل و مکانیسم های تنظیم وزن و به خصوص پیشگیری ، مبارزه و درمان چاقی توفیق چندانی نداشته است]4[. متاسفانه درکشور ما نیز، چاقی شیوع گسترده ای دارد. بر اساس پژوهش های صورت گرفته در ایران، بررسی ۸۹۹۸ فرد سنین 81 – 35 ساله (2005- 2002) نشان داد که 2/62٪ افراد دارای اضافه وزن و 28٪ ان ها چاق بوده اند ]35[. این در حالی است که چاقی با ابتلا به بیماری های بسیاری همراه است ]36[.دلایل ابتلا به چاقی متعدد می باشند، اما از نظر فیزیولوژی، چاقی ناشی از عدم تعادل انرژی است و درمان اولیه ی آن شامل کاهش دریافت غذا یا افزایش مصرف انرژی و یا هر دوی این موارد می باشد ]36،35[.
بنابراین از جنبه سلامت و بهداشت عمومی، شناخت عوامل و مکانیسم های موثر بر تعادل انرژی و تنظیم وزن می تواند به ارتقاء سطیح سلامت جامعه و صرفه جویی در هزینه های درمانی کمک نماید. هم چنین در شماری از بیماری ها، کاهش اشتها و تعادل منفی انرژی باعث بروز مشکلات عدیده و افزایش مرگ و میر می شود. مشخص شده که در این شرایط نیز نروپپتایدها نقش کلیدی دارند. بنابراین می توان امیدوار بود که شناخت مکانیسم این فرآیندها به درمان آنها اقدام کرد. از طرف دیگر نوروپپتید w که به تازگی (حدود یک دهه) کشف شده است و با توجه به نقش کلیدی خود در هموستاز و تنظیم وزن، تحقیقات بسیار کمی درباره این نوروپپتید صورت گرفته است، همچنین تحقیقات زیادی به تمرین به عنوان یک عامل مهم و موثر بر تعادل انرژی و تنظیم وزن و ارتباط آن نوروپپتید w انجام نشده است .همانطور که دیده می شود متخصصینی که در مورد نوروپتیید w و سایر نروپتاییدها مطالعه می کنند به ورزش ، تمرین و فعالیت بدنی عنایتی نداشته اند. برخی شرایط مانند فعالیت بدنی و تمرین می تواند تغییراتی را در پپتیدهای موثر برتنظیم و تعادل انرژی بوجود آورند. تمرین و فعالیت بدنی ، تعادل انرژی در سلول ها را به هم زده و هزینه ی انرژی سلول ها را افزایش می دهد. فعالیت های بدنی منظم ، دستگاه های مختلف انرژی را در گیر کرده و موجب سازگاری های عضلانی ، تنفسی ، قلبی – عروقی ، و سازگار ی متابولیکی می شود ]37[. از آنجایی که تاکنون پژوهشی در مورد تاثیر تمرین ورزشی و عصاره ولیک بر روی نوروپپتیدW پلاسمایی و بافتی صورت نگرفته ، پژوهش حاضر قصد دارد با بررسی اثر فعالیت ورزشی و عصاره میوه ولیک بر روی این نوروپپتید را بررسی نماید.
1-4 – اهداف پژوهش:
1-4-1-هدف کلی:
هدف کلی این پژوهش تعیین اثر8 هفته تمرین شدید بر سطوح نوروپپتید W پلاسمایی و کبدی، پاسخ های هورمون کورتیزول و T4 در موشهای صحرایی نر با و بدون عصاره آبی ولیک (سرخ و سیاه ) می باشد.
1-4-2-اهداف ویژه:
تعیین اثر 8 هفته تمرین شدید با و بدون عصاره آبی سرخ و سیاه ولیک بر سطح نوروپپتید w پلاسما
تعیین اثر 8 هفته تمرین شدید باو بدون عصاره آبی سرخ و سیاه ولیک بر سطح نوروپپتید w کبد
تعیین اثر 8 هفته تمرین شدید باو بدون عصاره آبی سرخ و سیاه ولیک بر هورمون کورتیزول
تعیین اثر 8 هفته تمرین شدید باو بدون عصاره آبی سرخ و سیاه ولیک بر هورمون تیروکسین
بررسی ارتباط سطوح نوروپپتید w پلاسما ، با دیگر متغییر ها
1-5 - فرضیه های پژوهش:
فرضیه 1 : هشت تمرین شدید همراه با مصرف عصاره آبی (سرخ و سیاه) ولیک برسطح نوروپپتید W پلاسما موشهای صحرایی نر اثر دارد
فرضیه 2: هشت تمرین شدید همراه با مصرف عصاره آبی (سرخ و سیاه) ولیک برسطح نوروپپتید W کبدی موشهای صحرایی نر اثر دارد
فرضیه3: هشت تمرین شدید همراه با مصرف عصاره آبی (سرخ و سیاه) ولیک برسطح هورمون کورتیزول پلاسما موشهای صحرایی نر اثر دارد
فرضیه 4: هشت تمرین شدید همراه با مصرف عصاره آبی (سرخ و سیاه) ولیک بر سطح هورمون تیروکسین پلاسما موشهای صحرایی نر اثر دارد
1-6- محدودیت های پژوهش :
1-6-1- محدودیت های غیر قابل کنترل
ـ عدم کنترل دقیق فعالیت شبانه آزمودنی ها
ـ عدم اندازه گیری مقدار غذای مصرفی برای هر نمونه بدلیل نبودن امکانات کافی
ـ عدم کنترل تاثیر عوامل وراثتی آزمودنی ها
1-7- تعریف واژها و اصطلاحات پژوهش
ولیک (کراتاکوس) cratacgus
ولیک یک گیاه دارویی با ارزش است که امروزه در درمان ضایعات قلبی و گردش خون و به ویژه به عنوان ضد عفونت ها و آنتی اکسیدان، تب بر استفاده می شود؛ و اهمیت دارویی آن به دلیل وجود ترکیبات فنلی است که در این رده فلاونوئیدها نقش دارویی مهمی دارند. همچنین مصرف آنتی اکسیدانهای غذایی می تواند از شیوع بیماری های متابولیک کم کند. فلاونوئیدها بخاطر آنتی اکسیدان بودن در تنظیم تغذیه دخیل است و باعث تنظیم چربی خون ،تنظیم متابولیسم گلوکز و کربوهیدارت می شود .
نوروپپتید w: نوروپپتید W تشکیل شده از 30 اسید آمینه و مشتق شده از یک پری پرو پروتئین 165 آمینو اسید است که ژن آن در انسان توسط تاناکا و هکارانش شناسای شد. NPW به ایفای نقش به عنوان عامل ضد اشتها عمل و باعث افزایش دما و متابولیسم بدن می شود.
کورتیزول: هورمون کوتیزول که یک گلوکوکورتیکوئید است ، و از بخش قشری غدد فوق کلیوی ترشح می شود، نقش بسزایی در برقراری هموستاز بدن دارد . هورمون کورتیزول در بدن به صورت دوره ای ترشح می شود، که دامنه و میزان ترشح آن را ریتم شبانه روزی تنظیم می کند. غلظت این هورمون در گردش خون، صبح زود به دلیل افزایش دامنه و میزان ترشح آن در بالاترین سطح است. میزان ترشح کورتیزول به تدریج در طول روز کاهش می یابد و غلظت آن در شب به حداقل میزان خود می رسد .پژوهش ها نشان داده اند که وزن و درصد چربی بدن بر ترشح کورتیزول تاثیر می گذارد.
هورمون تیروکسین یا 4T: تیروکسین به هورمون ترشح شده ازغده تیروئید می‌گویند. هورمون غده تیروئید تری یدوتیرونین 3 Tو تیروکسین 4Tاست .این هورمون از اضافه شدن چهار اتم ید به آمینواسید تیروزین ساخته می‌شود. هورمون های تیروئیدی در سوخت و ساز کلی بدن نقش داشته و نقص در عملکرد غده تیروئید و ترشح نامناسب این هورمون ها عواقب متعدد فیزیولوژیک را به دنبال دارد. برای مثال کاهش غلظت پلاسمایی هورمون های تیروئیدی باعث افزایش وزن و کاهش اشتها می گردد و افزایش آنها کاهش وزن و پرخوری را به دنبال دارد.
تمرین شدید : فعالیت ورزشی دویدن روی نوار گردان ( 5 روز در هفته ، با سرعت 34 متر در دقیقه ، شیب صفر درجه و به مدت 60 دقیقه ) انجام شد.
فصل دوم:
مبانی نظری و پیشینه پژوهش

:2-1مقدمه
در این فصل ابتدا مبانی نظری پژوهش مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.پیشنه و مبانی نظری پژوهش ، طیف وسیعی از اطلاعات و نظریه های علمی است که بیان کننده کمیت و کیفت اطلاعات موجود در رابطه با موضوع پژوهشی می باشد و به تشریح پژوهش های مرتبط با موضوع می پردازد . در این فصل پژوهشگر ابتدا به بررسی و مطالعه مفاهیم اساسی که در حوزه پژوهش دارای اهمیت هستند ، نظیر مکمل سازی ، پروتکل تمرینی و ... می پردازدو در پایان اطلاعات ارائه شده ، تحقیقات قبلی انجام شده و نتایج انها بیان می شود.
2-2: مبانی نظری تحقیق
2-2-1:چاقی
چاقی اختلالی است که از عدم تعادل دریافت و هزینه کرد انرژی ناشی می شود. عدم تعادل انرژی به عنوان فیدبکی برای فیزیولوژی و محیط عمل کرده و بر هزینه کرد و دریافت انرژی اثر می گذارد ]38[. ما انرژی را به صورت چربی ذخیره سازی می کنیم، چرا که هم نسبت به کربوهیدرات متراکم تر است و هم برای ذخیره شدن نیاز به مقدار زیادی آب ندارد. پدیده چاقی دو وجهه کاملا متفاوتی داردکه ژنتیک و محیط ]38[.
اطلاعات و آمار نشان می دهد که چاقی در کشورهای غربی در حال افزایش است . و عوامل مختلفی را می توان در این مورد دخیل دانست. از جمله تماشای تلویزیون، غذاهای فوری، کم تحرکی و استفاده از وسایل ماشینی در انجام امور روزمره و ... اشاره کرد. عقیده کلی بر این است که تعادل انرژی و وزن باید به گونه ای تنظیم شود تا اثرات تعادل بین هزینه کرد و دریافت انرژی بر چاقی و وزن بدن کنترل شود . لذا وزن بدن باید به طریقی تنظیم شود، که می دانیم هموستاز انرژی از طریق سیستم عصبی پیچیده ای تنظیم می شود که اثر فراز و نشیبهای کوتاه مدت در تعادل انرژی را بر روی توده بدن به حداقل می رساند. اخیرا مولکول های میانجی و مسیرهای دریافت غذا و تنظیم وزن در مغز شناسایی شده اند ]39[. گزارش کرده اند که با وجود کاهش در مقدار غذای دریافتی روزانه قادر به کاهش وزن نیستند. این ادعا به ایجاد این فرضیه منجر شد که چاقی در اثر اختلال های متابولیکی و نادرست بودن عادت های رفتاری است ، که موجب کاهش انرژی مصرفی در افراد چاق می شود ]40[.
2-2-2:تنظیم تعادل انرژی
عقیده ی کلی بر این است که تعادل انرژی و وزن بدن پدیده ای اند که باید تنظیم شوند. این عقیده از آن جا ناشی می شود که اثر بالقوه عدم تعادل بین هزینه انرژی و دریافت آن بر چاقی وزن بدن مشاهده می شود ]38[. به همین منظور هموستاز انرژی از راه سیستم عصبی پیچیده ای تنظیم می شود که اثر فراز و نشیب های کوتاه مدت در تعادل انرژی را بر روی توده ی چربی بدن به حداقل می رساند. اخیراً مولکول های میانجی و مسیرهای تنظیمی غذا خوردن و تنظیم وزن در مغز شناسایی شده اند ]39[.
محتوای انرژی سلول ها به تعادل بین تولید و مصرف انرژی در سلول ها بستگی دارد. یکی از شرایطی که می تواند تعادل انرژی را در سلول به هم زده و نیازهای هاصی را به سلول تحمیل نماید، ازدیاد هزینه کرد انرژی در اثر فشارهای مختلف روانی و جسمانی از جمله انجام فعالیت بدنی و تمیرن است. به بیان دیگر، در نتیجه تمرین و فعالیت بدنی، تعادل انرژی در سلول به هم خورده و هزینه ی انرژی سلول افزایشمی یابد. سلول در پاسخ به این وضعیت جدید پاسخ های موقتی و لازم را از خود نشان می دهد که در صورت تداوم یافتن این وضعیت، رفته رفته به سازگاری مناسب متابولیکی نایل می شود و در صورت رفع این فشار تدریجاً وضعیت انرژی سلولی به حالت اولیه ی خود برمی گردد. بنابراین گفته می شود که سلول یا اندام یا دستگاه درگیر در مقابل فشار فیزیکی وارده سازگار شده است. تمرین و فعالیت های بدنی منظم، دستگاه های مختلف انرژی را درگیر کرده و موجب سازگاری های عضلانی، تنفسی، قلبی – عروقی و سازگاری متابولیکی می شود که متعاقب فعالیت های بدنی و ورزشی رخ می دهند ]37[.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

شکل 2- 1) تنظیمات جبرانی دریافت و مصرف کالری در پاسخ به تغییرات در محتوای چربی بدن است.]47[
2-2-3:کنترل اشتها و هموستاز انرژی
مرکز اصلی هموستاز یا تعادل انرژی در انسان هیپوتالاموس می باشد ، هرچند نواحی مختلفی از مغز از کورتکس گرفته تا ساقه مغز در رفتار دریافت غذا و هموستاز انرژی دخالت دارند . در بیشترین بزرگسالان ذخایر چربی و وزن بدن علیرغم تغییرات بسیار گسترده مصرف غذای روزانه و مصرف انرژی به طور چشمگیری ثابت است. برای برقراری تعادل بین انرژی دریافتی و مصرف غذای روزانه و مصرف انرژی به طور چشمگیری ثابت است. برای برقراری تعادل بین انرژی دریافتی و مصرفی یک سیستم فیزیولوژیکی پیچیده شامل سیگنال های آوران و وابران فعالیت می کند] 1[. این سیستم شامل مسیرهای چندگانه ای است که در تعامل با هم وزن را کنترل می نماید .در گردش خون هورمون هایی وجود دارند که به صورت حاد و موقت غذا خوردن را شروع یا خاتمه می دهند وهم هورمون هایی هستند که منعکس کننده چاقی و تعادل انرژی بدن می باشد. این سیگنال ها به وسیله اعصاب محیطی و مراکز مغری از جمله هیپوتالموس و ساقه مغزی یکپارچه می شوند هنگامی که سیگنال ها یکپارچه شوند ، نوروپتید های مرکزی را ، که غذا خوردن و هزینه انرژی را تغییر می دهند ، تنظیم می کنند ] 1[.
پیچیدگی رفتار دریافت غذا منعکس کننده ی تعداد نواحی در گیر در مغز است. به عنوان مثال ، قشر پیشانی چشمی در گیر در سیری ویژه حسی است در حالی که آمیگدال در ارزیابی مزه و طعم غذا دخالت دارد . بنابراین رفتار دریافت غذا را می توان به فاز های مختلفی از جمله فاز اشتها ، که شامل جستجو برای غذا است ، و فاز مصرف شامل خوردن واقعی غذا است ، تقسیم بندی کرد ]41[.
برای حفظ یک وزن ثابت در یک دوره ی زمانی نسبتا طولانی همواره باید توازنی بین دریافت غذا و هزینه انرژی برقرار باشد . هیپوتالاموس اولین مرکز ی است که حدود 50 سال قبل نقش آن در این فرایند شناخته شد . علیرغم در گیری نقاط مختلفی از مغز در رفتار غذا خوردن ، هیپوتالاموس به عنوان مرکز اصلی غذا خوردن مطرح می باشد .در اوایل دهه 1940 نشان داده شد که تزریق یا تحریک الکتریکی هسته ها ویژه ای در هیپوتالاموس ، رفتار تغذیه ای را تغییر می دهد. هیپوتالاموس شامل چندین هسته می باشد که در دریافت غذا دخالت دارند شامل هسته های کمانی (ARC) ، هسته ای مجاور بطنی (PVN) ، بخش های جانبی هیپوتالاموس (LHA) ، هسته های بطنی میانی (VMH) و هسته های خلفی میانی (DMH). در ARC دو دسته اصلی نورون که به وضعیت تغذیه ای حساس هستند و جود دارند . یکی دسته از ان ها دریافت غذا و اشتها را تحریک و دسته دیگر ان را مهار می کنند ]41[. هسته های بطنی میانی (VM) به عنوان « مرکز سیری» و هسته های جانبی هیپوتالاموس (LH) عنوان «مرکز گرسنگی» شناخته شده اند. هسته های کمانی (ARC) هیپوتالاموس نیز به عنوان محلی که این سیگنال های تنظیمی اشتها را یکپارچه می کند شناخته شده است ]42[ .

شکل 2 – 2) طراحی شماتیک ساده از مناطق هیپوتالاموس که در مصرف مواد غذایی نقش اصلی ایفا می کند.]41[
2-2-4:هیپوتالاموس
برای حفظ یک وزن در یک دوره زمانی نسبتاً طولانی همواره باید توازنی بین دریافت غذا و هزینه انرژی برقرار باشد. هیپوتالاموس اولبین مرکزی است که حدود 50 سال قبل نقش ان در این فرایند شناخته شد. در اوایل دهه 1940 نشان داده شد که تزریق یا ایجاد تحریک در هسته های ویژه ای از هیپوتالاموس باعث تغییر در رفتار تغذیه ای و دریافت غذا می شود. در هیپوتالاموس هسته های بطنی میانی (VMH) ، به عنوان «مرکز گرسنگی» شناخته شده اند. هسته های کمانی (ARC) هیپوتالاموس نیز به عنوان محلی که این سیگنال های تنظیمی اشتها را یکپارچه می کنند شناخته شده است. چرخه های عصبی متعددی در هیپوتالاموس قرار دارد. بر اساس دانسته های ما شبکه های عصبی و انشعابات آنها در داخل هیپوتالاموس قرار دارد. بر اساس دانسته های ما شبکه های عصبی و انشعابات آنها در داخل هیپوتالاموس گسترش پیدا می کنند و اجتماعات عصبی مجزا، نروترانسمیترهای ویژه ای را ترشح کرده که بردریافت غذا و یا هزینه کرد انرژی اثر گذاشته که خود توسط سیگنال های خاص وضعیت تغذیه ای تنظیم می شوند. سیگنال های محیطی درگیر در تهادل انرژی، از قبیل هورمون های روده ای مثل پپتاید YY و GLP-1 از طریق یک مکانیسم فیرقابل اشباع از سد خونی- مغزی گذشته و بنابراین به ARC می رسند. البته سیگنال های دیگری از قبیل لپتین و انسولین از طریق یک مکانیسم قابل اشباع از خون به مغز می رسند. بنابراین سد خونی – مغزی یک نقش تنظیمی پویا در عبور دادن برخی سیگنال های انرژی گردش خون دارد. در ARC دو دسته اصلی نرون که به وضعیت تغذیه ای حساس هستند ، وجود دارند . یک دسته از انها دریافت غذا و اشتها را تحریک و دسته دیگر ان را مهار می کنند عوامل اشتها آور و شد اشتها به ترتیب فعالیت سیستم عصبی سمپاتیک را کاهش و افزایش می دهند و به موجب آن ذخایر چربی بدن و هزینه انرژی را تنظیم می کنند . این عمل از طریق تغییر گرمازایی در BAT و احتمالاً در محل های دیگری از قبیل بافت سفید چربی وعضله، از طریق القاء پروتئین جفت نشده میتوکندریایی یک UCP-1 و UCP-2 و UCP-3، انجام می شود. ارتباط بین دریافت غذا و فعالیت سمپاتیک از طریق مواد انتقال دهنده عصبی متعددی صورت می گیرد. نروپتایدها عناصر مهم سیستم تنظیم کننده دریافت غذا هستند. هورمون ها ، انتقال دهنده های عصبی و نروپتایدهایی که بر دریافت غذا اثر می گذارند. مولکول های تحریک کننده اشتها شامل نوراپی نفرین، گاما آمینو بوتیریک اسید و هفت دسته از نروپتایدها هستند، در حالی که مولکول های مهار کننده غذا اشتها شامل سروتونین، دوپامین و تعداد زیادی از پپپتایدهای روده ای – مغزی هستند ]42[ .
2-2-5:سیگنال های عصبی و هورمونی کنترل اشتها
در موجودات تکامل یافته، نظیر انسان سیستم تنظیم دریافت غذا شامل دو بخش شبکه تنظیم اشتها و سیگنال های عصبی و هورمونی ارسالی از نواحی مختلف بدن به شبکه تنظیم اشتها می باشد که بخش اول از نورون های ایجاد کننده اشتها یا نورون های اورکسیژنیک و نورون های ایجاد کننده بی اشتهایی یا نورون های انورکسیژنیک تشکیل شده است که همگی در هسته های مختلف هیپوتالاموس قرار دارند و این دو دسته نورون شبکه تنظیم اشتها با یکدیگر در ارتباط هستند و بر فعالیت یکدیگر اثر می گذارند ]43[ . بنابراین عوامل تنظیمی متعددی چون هسته های مختلف هیپوتالاموس واقع در سیستم عصبی مرکزی، ذخایر انرژی و هورمون ها در تنظیم اشتها و دریافت غذا بصورت دراز مدت وکوتاه مدت دخالت دارند . در انسان انتقال دهنده های سیستم عصبی و پپتیدهای روده ای متعددی از عوامل مهم تنظیم اشتها می باشند]44[. اکثر مطالعات انجام گرفته در زمینه اشتها و دریافت غذا، روی دو هورمون لپتین و گرلین متمرکز است. این دو هورمون بعنوان تنظیم کننده های اصلی شبکه تنظیم اشتها و دریافت غذا درهسته های مختلف هیپوتالاموس مطرح هستند]45[.
هورمون لپتین محصول ژن چاقی است که در تنظیم فرایندهای متابولیک دخیل است و نمایانگر میزان ذخیره چربی بدن است . این هورمون با گیرنده های ویژه ای در هیپوتالاموس و با مهار باعث کاهش اشتها می شود و از طرف دیگر ترشح نوروپپتید Y با افزایش فعالیت سیستم عصبی سمپاتیک و لیپولیز موجب افزایش میزان متابولیسم بدن، میزان انرژی مورد نیاز و در نتیجه میزان چربی بدن را کنترل می کند]46[.
گرلین به عنوان یک لیگاند درون زاد برای گیرنده ترشح دهنده هورمون رشد مطرح است. سلول های غده اکسینتیک موکوس فوندوس معده منبع اصلی این پپتید اشتها آور است ]47[. مطالعات گذشته نشان داده است درحالی که تزریق انسولین در برخی از هسته های هیپوتالاموس سیستم اعصاب مرکزی دریک روش وابسته به دوز بعد از ورود به فضای بین سلولی درمغز به رسپتورهای خود نظیر نورون های، نوروپپتید Y متصل و آن را مهار می کند و یا از طریق تحریک انتقال دهنده عصبی α –MSH به دلیل افزایش تولید وترشح لپتین سبب کاهش دریافت غذا می شود ولی افزایش سطح سرمی انسولین (به صورت محیطی) در صورتیکه باعث کاهش غلظت گلوکزخون شود می تواند اشتها را تحریک نماید ]48[.

شکل 2 – 3 ) گردش هورمون های موثر بر تعادل انرژی از طریق هسته کمانی ]44[
2-2-6:سیستم کنترل مرکزی
سیگنال های نماینده چاقی در CNS یکپارچه می شوند. در داخل CNS دریافت غذا و تنظیم وزن به طور موثری انجام می شود. در CNS و بطور اختصاصی در هیپوتالاموس دو سیستم موثر آنابولیک و کاتابولیک وجود دارد که وزن بدن و توده چربی را تنظیم می نمایند . مسیرهای که سیگنال های چاقی از لپتین (مترشحه از آدیپوسیت ها) و انسولین (مترشحه از پانکراس ) با چرخه های خودکار مرکزی اندازه غذا را تنظیم می کنند.لپتین و انسولین مسیر کاتابولیک (نرون های POMC/CART ) را تحریک و مسیر آنابولیک (نرون های NPY/AGRP ) که از ARC منشأ می گیرندۀ را مهار می کنند. درون دادهای آوران وابسته به سیری از کبد و مجاری معده ای ـ روده ای و از پپتیدهایی مثل CCK از طریق عصب واگ و تارهای سمپاتیک به NTS ، یعنی جای که با درون دادهای پایین رونده هیپوتالاموس یکپارچه می شوند. برون داد عصبی خالص از NTS و سایر نواحی بصل النخاع و مخچه مغز منجر به خاتمه غذا خوردن می شوند. کاهش درون دادهای از سیگنال های چاقی ( در حین کاهش وزن ناشی از رژیم) بنابراین باعث افزایش اندازه غذا به وسیله کاهش پاسخ های ساقه مغز به سیگنال های سیری می شوند]4[.
مسیر های که سیگنال های جاقی از لپتین (مترشحه از آدیپوسیت ها) و انسولین (مترشحه از پانکراس) با چرخه های خودکار مرکزی اندازه غذا را تنظیم می کنند. لپتین و انسولین مسیر کاتابولیک (نرون های POMC/CART ) را تحریک و مسیر آنابولیک (نرون های NPY/AGRP ) که از ARC منشأ می گیرند ، را مهار می کنند. درون دادهای آوران وابسته به سیری از کبد و مجاری معده ای-روده ای و از پپتیدهایی مثل CCK از طریق عصب واگ و تارهای سمپاتیک به NTS ، یعنی جای که با درون دادهای پایین رونده هیپوتالاموس یکپارچه می شوند. برون داد عصبی خالص از NTS و سایر نواحی بصل النخاع و مخچه مغز منجر به خاتمه غذا خوردن می شوند. کاهش درون دادها از سیگنال های چاقی (درحین کاهش وزن ناشی از رژیم) بنابراین باعث افزایش اندازه غذا به وسیله کاهش پاسخ های ساقه مغز به سیگنال های سیری می شوند. ]4[.

جدول 2-1- مولکول های سیگنالی کاندید در هموستاز انرژی در CNS ]39[.
سیستم موثر آنابولیک باعث افزایش دریافت غذا، اکتساب وزن، کاهش هزینه انرژی و برعکس سیستم موثر کاتابولیک باعث کاهش دریافت غذا ، از دست دادن وزن و افزایش هزینه انرژی می شود .
2-2-7:کنترل محیطی اشتها
سیگنال های محیطی درگیر در تعادل انرژی، از قبیل هورمون های روده ای مثل پپتاید و GLP1 از راه یک مکانیسم غیرقابل اشباع از سدخونی- مغزی گذشته و بنابراین به ARC می رسند. البته سیگنال های دیگر از قبیل لپتین و انسولین از راه یک مکانیسم قابل اشباع از خون به مغز می رسند. بنابراین سد خونی- مغزی یک نقش تنظیمی پویا در عبور دادن برخی سیگنال های انرژی گردش خون دارد ]49[.
گرلین اولین هورمونی است که به دنبال تزریق محیطی موجب افزایش غذا خوردن می شود. در انسان ها گرلین پلاسمایی قبل زا هر وعده غذا افزایش ناگهانی و پس از صرف هر وعده غذایی به صورت کوتاهی سقوط می کند. این یافته ها دلالت بر این دارند که گرلین سممکن است به عنوان یک شاخص تعادل انرژی کوتاه مدت تلقی شود و ممکن است به عنوان یک مولکول سیگنالینگ در طول مدت زمان تخلیه انرژی در نظر گرفته شده است ]49[.

شکل 2-4 ) تنظیم مصرف غذا بوسیله ی هورمون های محیطی و مسیرهای سیگنالینگ مرکزی انها.]45[
2-3 :تنظیم کننده های وزن و متابولیسم بدن
گزارش ها نشان که وزن و متابولیسم بدن توسط نوروپپتید ها و هورمون های متعددی کنترل و تنظیم می شود.که به اختصار به توضیح برخی از مهمترین آنها می پردازیم.
2-3-1:نروپپتایدها
2-3-1-1: نوروپپتید Y (NPY)
NPY یک پپتید 36 اسید آمینه ای و یکی از فراوان ترین و گسترده ترین (از لحاظ توزیع) عوامل انتقال دهنده عصبی در مغز پستانداران می باشد. ARC محل اصلی بیان NPY در داخل نرون های هیپوتالاموس می باشد. هر چند NPY پس از تزریق مرکزی اثرات گوناگونی روی رفتار و عملکرد به جا می گذارد. ولی قابل توجه ترین اثر آن تحریک غذا خوردن است. تزریق چندباره NPY به داخل PVN یا دهلیزهای مغزی باعث چاقی می شود که نشان دهنده آن است که NPY قادر به مهار سیگنال های مهار کننده دریافت غذا می باشد. NPY باعث تعادل مثبت انرژی از طریق افزایش دریافت غذا می شود و همچنین باعث کاهش هزینه انرژی از طریق کاهش گرمازایی در BAT و همچنین تسهیل ذخیره چربی در بافت سفید چربی از طریق افزایش فعالیت انسولین می گردد ]50[. NPY در ARC سنتز شده و به داخل PVN ترشح می شود و توسط سیگنال های مثل لپتین، انسولین (که هر دو مهار کننده) و گلوکورتیکوئیدها (فعال کننده)، تنظیم می شود. سنتز و ترشح NPY در مدل های با شرایط کمبود انژژی یا افزایش نیازهای متابولیکی از قبیل گرسنگی ، دیابت وابسته به انسولین، شیردهی و فعالیت بدنی افزایش می یابد. نقش فیزیولوژیکی اصلی نرون های ARC ، NPY، احتمالا برقراری مجدد تعادل انرژی و ذخایر چربی بدن در شرایطی است که بدن با کمبود انررژی مواجه است. علیرغم شواهد کافی برای نشان دادن نقش کلیدی NPY در هموستاز انرژی، عجیب این است که در موش های که ژن NPY آنها کاملا حذف شده بود دارای فنوتیپ نرمال بودند به جز اینکه مستعد به جمله ناگهانی شده بودند. بنابراین هنوز کاملا مشخص نیست که آیا NPY فقط در شرایط حادی از قبلی موش های تراریخته ob/ob در پراشتهایی یا چاقی نقش دارد یا آیا فنوتیپ نرمال به علت مکانیسم های جبرانی توسط سایر سیگنال های اشتهاآور است که جایگزین NPY می شوند و به حفظ تغذیه طبیعی و تنظیم وزن کمک می کنند ]51[.

شکل 2-5) فعال سازی سلول های عصبی NPY / AGRP دارای یک اثر اشتهاآور، در حالی که فعال سازی سلول های عصبی POMC / CART اثر ضد اشتهای می باشد.
2-3-1-2: ارکسین ارکسین اخیرا به عنوان دسته ای از نروپپتیدها شناخته شده که همچنین تحت عنوان هیپوکرتینز نامگذاری می شود. ارکسین A و B به ترتیب دارای 23 و 28 اسید آمینه بوده و 46 درصد مشابهت دارند. هر دو پپتید توسط یک ژن کدگذاری شده و در نرون های خلفی و جانبی هیپوتالاموس قرار دارند. تزریق ارکسین A به طور معنی داری موثرتر از ارکسین B می باشد. البته اثر ارکسین بر تحریک غذا خورئن از اثر NPY خفیف تر است. ارکسین احتمالا بیشتر درگیر کنترل متابولیسم انرژی است تا دریافت غذا . ناشتایی باعث تظاهر افزایش ژن ارکسین در هیپوتالاموس می شود ]49[.
2-3-1-3: گالانین
گالانین یک پپتید 29 اسیدآمینه ای است که در دسته ی نورونی PVN , DMH , ARC توزیع شده است. گالانین دریافت غذا در موش های صحرایی پس از تزریق به داخل CV و همچنین VMH , LH , PVN و هسته های مرکزی آمیگدال را تحریک می کند. همانند MCH و ارکسین، غذا خوردن ناشی از گالانین ضعیف تر از NPY بوده و تزریق مداوم گالانین اثری بر حفظ چاقی یا پراشتهایی ندارد. از لحاظ آناتومیکی و عملکردی ارتباط نزدیکی بین نرون های تولید کننده گالانین وسایر سیگنال های اشتهاآور وجود دارد. هر چند سیستم NPY ارتباط نزدیکی با مصرف و هضم کربوهیدرات ها دارد، گالانین احتمالا در وهله اول در کنترل مصرف چربی ها و افزایش ذخیره بافت چربی از طریق کاهش در هزینه کرد انرژی دخالت دارند. گالانین در حین دوره میانی چرخه غذایی طبیعی فعال شده و یک رژیم با چربی بالا می تواند تولید گالانین را در PVN افزایش داده که ارتباط نزدیکی با چاقی بدن دارد ]49[.
2-3-1-4: نوروپتیید w-23
نوروپتیید W-23 که در ده اخیر کشف شده از 23آمینو اسید تشکیل شده است.که در تنظیمات تغذیه ای و هورمونی مشارکت دارد. مطالعات نشان می دهد ، تزریق داخل بطن مغزی NPW23 باعث افزایش جذب غذا و تحریک آزادسازی پرولاکتین]52[ و کورتیکوسترون ]53[ در موش صحرایی می شود،همچنین تحقیقات آزمایشگاهی نشان داده که افزایش غلظت NPW23 ، به طور قابل توجهی بر پرولاکتین، هورمون رشد و انتشار ACTH از سلولهای هیپوفیز قدامی را تغییر می دهد ]53[.
2-3-2:هورمون ها
2-3-2-1:گرلین
گرلین برای اولین بار در سال 1999 توسط کوجیما و همکارانش از معده موش جداسازی شد و به عنوان لیگاند درونی برای گیرنده GHS-Ra مطرح گردید. گرلین به هنگام گرسنگی به مقدار زیادی در سلولهای مخاط معده و به مقدار اندکی در سایر اندام ها از جمله مغز، هیپوفیز، سلولهای لایدیگ و سلولهای سرتولی نیز به نسبت کمتر تولید می شود ]54[. مطالعات نشان داده گرلین علاوه بر افزایش هورمون رشد ]55[ سبب افزایش تخلیه معده، افزایش اشتها، افزایش وزن بدن ]56[ تحریک ترشح ACTH ، مهار LH 6 و کاهش غلظت هورمون های تیروئیدی می شود ]57[. تزریق گرلین از طریق افزایش بیان ژن ها ی AgRP و NPY در هستۀ ARC هیپوتالاموس که نورونهای آنها مستقیماً بر روی TRH گیرنده دارند سبب کاهش هورمونهای تیروییدی می شوند ]58[.

شکل 2-6) گرلین قبل و بعد از دریافت غذا
2-3-2-2:ابستاتین
زانگ و همکاران (۲۰۰۵) پپتید ۲۳ اسید آمینه ای دیگری به نام ابستاتین را شناسایی کردند. این پپتید از ژن سازنده ی گرلین مشتق شده که بعد از ترجمه، دستخوش تغییرات متفاوتی شده است. یافته های بررسی ها نشان داد درمان جوندگان با ابستاتین منجر به تعادل انرژی منفی از راه کاهش دریافت غذا و تخلیه ی معده می شود. بنابراین برخی پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که گرلین و ابستاتین اثرات متضادی بر تنظیم وزن دارند و ممکن است عملکرد نامطلوب ابستاتین در پاتوفیزیولوژی چاقی درگیر باشد.]59[
پژوهش قنبری نیاکی و همکاران نشان داد کسر و گلیکوژن کبدی ناشی از تزریق اتیونین در موش ها ATP منجر به افزایش سطح گرلین پلاسما می شود که می تواند به عنوان یک آغازگر مهم دریافت غذا مد نظر قرار گیرد؛ هم چنین مشاهده شد سطح ابستاتین پلاسما مورد تاثیر و گلیکوژن کبد نیست و انجام تمرین های ATP کاهش ورزشی نیز نتوانست این نتیجه را مورد تاثیر قرار دهد. پژوهشگران این گونه نتیجه گیری کردند که گرلین نسبت به ابستاتین به کسر انرژی کبد حساس تر است ]60[. گائو و همکاران(2009) انجام پژوهشی روی زنان و مردان چاق دریافتند سطح گرلین و ابستاتین آزمودنی های چاق پایین تر، اما نسبت گرلین به ابستاتین آنها از آزمودنی های با وزن طبیعی بالاتر بود ]61[.
زامرازیلوا و همکاران (۲۰۰9) نیز نسبت سطح گرلین به ابستاتین پلاسما را در زنان با وزن طبیعی، چاق و دچار بی اشتهایی عصبی اندازه گیری نمودند. یافته ها نشان داد نسبت سطح گرلین به ابستاتین در زنان با بی اشتهایی عصبی به طور معنی داری بالاتر از سایر گروه ها بود ]62[. در کل نقش واقعی ابستاتین در سازوکار چاقی هنوز مشخص نیست، اما تعادل بین گرلین و ابستاتین نقش مهمی در سازوکار چاقی و بیماری های متابولیکی ایفا می کند]63[.
2-3-2-3:لپتین
لپتین، پروتئین 167 اسید آمینهای است که در تنظیم فرآیندهای متابولیک دخالت دارد و نمایانگر ذخیره چربی بدن است]64[ برخی از پژوهشگران لپتین را عامل هشدار دهنده در تنظیم محتوای چربی بدن ذکر کرده اند ]65[ لپتین پس از تولید در بافت چربی به داخل خون ریخته می شود . در سد خونی مغز ناقل هایی وجود دارد که باعث ورود لپتین به دستگاه عصبی مرکزی شده و با شرکت در سرکوب سنتز نوروپپتیدهایی از قبیل نوروپپتیدy (عامل افزایش اشتها)، باعث کاهش اشتها می شود]66[ . بنابراین اثر خالص عملکرد لپتین در جهت کاهش وزن است اما کمبود این هورمون و یا مقاومت نسبت به آثار آن، هر دو می تواند سبب افزایش وزن شوند]67[ .
پژوهش استاد رحیمی و همکاران روی زنان چاق، نشان داد توده بافت چربی از پیشگویی کننده های اصلی غلظت لپتین بوده و همبستگی معنی داری بین توده چربی و لپتین وجود دارد ]68[ نتایج پژوهش ضرغامی و همکاران نشان داد که مقادیر سرمی لپتین در زنان چاق حدود 3 برابر زنان با وزن طبیعی بوده و همبستگی مستقیمی بین لپتین و شاخص توده بدن وجود دارد ]69[. همبستگی بین غلظت سرمی لپتین با شاخص توده بدن، درصد و توده چربی بدن، ذخایر مختلف چربی و همچنین ضخامت چربی زیر پوستی در تحقیقات دیگر نیز مشاهده شده است ]70[ این همبستگی در زنان چاق 3 برابر بیش تر از مردان چاق است ]71[.
87630-80645
شکل 2- 7 ) لپتین به عنوان بخشی از یک حلقه بازخورد به حفظ ذخائر ثابت از چربی عمل می کند. از دست دادن چربی بدن منجر به کاهش در لپتین، که مولکول های تغذیه محرک در هیپوتالاموس، مانند NPY را فعال می سازد. در مقابل، افزایش چربی بدن منجر به افزایش لپتین، که مولکول های تغذیه بازدارنده مانند MC را فعال می سازد. ]49[
2-4: نوروپتیید w
نوروپتیید w که اولین بار از هیپوتالاموس خوک جدا شده به دو شکل وجود دارد که شامل نوروپتیید 23- w (NPW23) یا نوروپتیید 30- w (NPW30) که 23 و 30 نشان از تعداد آمینو اسید تشکیل دهنده آن است.این نوروپتییدها به یکی از دو دریافت کننده NPW ، شامل GPR7 (NPBWR1) و GPR8(NPBWR2) متصل می گردد که به خانواده ی گروه پروتیین G تعلق دارند. GPR7 در مغز و قسمت های بیرونی و خارجی بدن انسان و جانوران جونده وجود دارد، در حالیکه GPR8 در جانوران جونده وجود ندارد . mRNA GPR7 در جانوران جونده به شکل گسترده ای در بسیاری از مناطق هیپوتالاموس ، شامل قسمت بطنی ، بصری ، میانی جلویی ، پشتی ، فوقانی وقسمت های قوس داربیان شده است .
مشاهدات نشان می دهد که GPR7 نقش مهم و حیاتی در تعدیل عملکرد غده های درون زا و عصبی ایفا می کند. تزریق بطنی مغزی NPW نشان داده شده که مانع جذب غذا شده و در وزن بدن اختلال ایجاد می نماید و موجب افزایش تولید گرما و حرارت و دمای بدن می شود، این نشان می دهد که NPW به عنوان یک مولکول نشانگر کاتابولیسم درونی عمل می کند ]72[.
2-4-1:گیرنده های NPW
در سال 1995 ، ادد و همکارانش از الیگونکلوتیدهای بر مبنای گیرنده ی اپیوئیدی و همینطور گیرنده ی سوماتواستاتین جهت شناسایی دو ژن GPR7 و GPR8 استفاده کردند.که پیش بینی می شود این دو دریافت کننده مسئول کد گذاری گروه پروتئینی G درون مغز انسان هستند. mRNA GPR7 در مغز انسان و جانوران جونده نشان داده شده ، در حالیکه ژن GPR8 در مغز انسان و خرگوش و نه جانوران جونده شناسایی شده است ]73[. در سال 2002، شیمومورا و همکارانش لیگاندهای درون زا را در مورد-8 GPR7 با در معرض قرار دادن سلول های تخمدان موش های چینی (CHO) با ذره های هیپوتالامیک خوک، تغییراتی در سطح CAMP مشاهده نمودند. علاوه بر این، وقتی بیان سلول GPR7 یا GPR8با عصاره ی هیپوتامیک القا شد تولید CAMP ناشی از فورسکولین متوقف می شود. این دریافت کننده ها به دریافت کننده های گروه پروتیینی Gi متصل بودند ]52[.
تجزیه و تحلیل ساختاری بیشتر در مورد لیگاندهای مسئول مهار تولید cAMP منجر به شناسایی یک پپتید جدید به نام NPW گردید. شیمومورا و همکاران توالی پپتید بالغ 23 و30 آمینو اسید باقی مانده از خوک ، موش و انسان را شناسایی کردند.NPW به دو شکل بالغش : NPW30 (شامل 30 آمینو اسید) و NPW23 (شامل 23 آمینو اسید) نام گذاری شده است که در ژن انسان بوسیله تاناکا و همکاران (2003) شناسای شد ]72[.

شکل 2- 8) فرق نوروپتیید 23- w و نوروپتیید 30- w ( انسان ، خوک ، رت ، موش)].72[
2-4-2: توزیع مرکزی NPW
بر اساس آنالیز RT-PCR ، برزلین و همکارانش (2003)گزارش داده اند که ژن NPW در سیستم عصبی مرکزی انسان مانند جسم سیاه و نخاع ، و در حد متوسط ​​در هیپوکامپ، آمیگدال، جسم پینه ای هیپوتالاموس ، مخچه و ریشه پشتی نخاع بیان شده است. شیمی سلولی هیبریداسیون در جوندگان نشان داده است که ژنNPW در چند مناطق محدود مغزی شامل PAG، هسته EW و هسته پشتی جنین توزیع شده است ]74،53،10 [. در حالی که کیتامورا و همکاران،( 2006) گزارش داده اند که این موضوع به هسته های خاصی در مغز میانی و ساقه مغز محدود می شود. با این حال، بر اساس تجزیه و تحلیل RT-PCR، گزارش داده اند که NPW mRNA در قسمت PVN، VMH ، ARC و LH موش بیان می شود]75[.مطالعه دیگری نیز حاکی از توزیع NPW در قسمت های متعددی از مغز موش صحرایی بوده است ]76[.
مطالعات ایمونوهیستوشیمی نشان داده است که NPW-LI به طور عمده در مناطق هیپوتالاموس، ARC و غده هیپوفیز خلفی ، با یک سطح پایین تر در PVN مشاهده شده است. جالب این است که سلول های NPW-LI هیپوتالاموس نر نسبت به ماده بیشتر است ]76[. در مطالعه دیگری، کیتامورا و همکاران (2006) از استقرار زیادی از NPW-LI را در سلول مغز میانی، شامل PAG و EW خبر داده اند. علاوه بر این، آنها برای اولین بار حضور NPW-LI و فرآیندهای آن را در PVN، VMH و آمیگدال در سطح میکروسکوپ الکترونی شناسایی و بررسی کرده اند]77[. همچنین، رشته های عصبی NPW-LI به وفور در مغز میانی و در دستگاه لیمبیک، از جمله CEA و BST توزیع شده بود، این امر نشان می دهد که NPW ممکن است در فرایند تعدیل ترس و اضطراب و همچنین در رفتار تغذیه نقش مهمی ایفا کند]78،77،76،75[.
2-4-3: توزیع محیطی NPW
در بافت های محیطی، NPW در نای ، در سلول سرطانی لنفوسیت نابالغ کلیه جنین و سرطان روده بزرگ بیان می شود]79[.سلول های وابسته به قشر غده فوق کلیوی نیز NPW تولید می کند]78[.هوکل وهمکاران (2006) گزارشی مبنی بر توزیع NPW در تیروئید و غدد پاراتیروئید، پانکراس، غدد آدرنال، تخمدان و بیضه در موش ارائه کردند.درحالیکه روکینیسکی و همکاران (2007) واکنش پذیری ایمنی NPW در تمام سلول های پانکراس شامل سلول های A ،B وD رانشان داده اند. درمقابل ، دزاکی و همکاران ( 2008) واکنش پذیری ایمنی NPW را در سلول های B ، و نه سلول های A یا D یافتند. بعلاوه NPW mRNA در سیستم ادراری تناسلی از جمله کلیه، بیضه ها، رحم، تخمدان، و جفت توزیع شده است ]80[.
بر اساس انالیز RT-PCR ، از حضور ژنNPW در در غده هیپوفیز، غده فوق کلیوی و معده را تایید کرد ]81[. این مشاهدات نشان می دهد که NPW ممکن است نقش مهمی در تنظیم سیستم غدد درون ریز را در پاسخ به استرس و همچنین در فعال شدن محورهیپوتالاموس هیپوفیز فوق کلیوی (HPA) ایفا کند ]81،82[.
2-4-4: توزیع GPR7-8
تجزیه و تحلیل RT-PCR در انسان نشان داد که ژن GPR7 به شدت در آمیگدال، هیپوکامپ، نئوکورتکس، و هیپوتالاموس بیان می شود ]73[. مطالعات مربوط به شیمی سلولی نشان داده است که ژن GPR7 در هیپوتالاموس موش، از جمله ARC، VMH، PVN و DMH، موجود است .ایشیی و همکاران (2003) گزارش داده اند که از بین بردن NPBW1 باعث پر خوری و توسعه چاقی می شود. سینگ و همکاران (2004) از دریافت کننده ی رادیوگرافی [125I]-NPW استفاده کرده و توزیع قابل توجهی از NPBW1 در آمیگدال موش و هیپوتالاموس، و همچنین در BST، MPA ، PAG ، ارگان سابفورنیکال و سطوح خاکستری رنگ سوپریور کولیکلوس ( قسمتی از مغز میانی) را نشان دادند. به طور کلی، GPR7 در سطح وسیعی در آمیگدال بیان می شود ]84،83،74[. اگر چه BST بالاترین سطح بیان GPR7 در پستانداران کوچک را نشان داده است، این پدیده در انسان ثابت نشده است. کیتامورا و همکاران ( 2006) گزارش کرده اند که GPR7 بیشتر در CeA و BST، موش صحرایی توزیع شده است که این امر ممکن است نشان دهد که GPR7 در تنظیم استرس، احساسات، ترس و اضطراب دخالت دارد. از طرف دیگر ژن های GPR7-8 در غده هیپوفیز و غده فوق کلیوی ( قشری و مرکزی ) بیان شده است ]72[ . این مشاهدات نشان می دهد که GPR7-8 ممکن است در پاسخ به استرس از طریق محور HPA درگیر باشد]82 [.
زیلوکوسکا و همکاران (2009 ) اخیرا آزمایشی مبنی بر توزیع و عملکرد NPW، NPB، و GPR7 در سلول های مانند یاخته ی استخوانی موش صحرایی و همچنین نتایج آن را که حاکی از تاثیر مستقیم بر روی تکثیر سلول ها بود را انجام دادند. NPB در پستانداران بزرگ، و همچنین در خرگوش شناسایی شده است، اما در موش صحرای و هیچ یک از موش ها بیان نشده است. تجزیه و تحلیل RT-PCR نشان داده است که ژن GPR8 است که به شدت در آمیگدال، هیپوکامپ، غده هیپوفیز، غده فوق کلیوی و بیضه ها و همچنین در سلول های قشری در غدد فوق کلیوی بیان شده است ]72[ .
2-4-5: تنظیم تغذیه ومتابولیسم انرژی بوسیله NPW
حذف GPR7 در موش های باعث پرخوری و کاهش مصرف انرژی می شود. این امر نشان می دهد که NPW ممکن است به عنوان یک تعدیل کننده تغذیه عمل کند. تزریق داخل بطن مغزی NPW در موشهای صحرایی نر باعث افزایش جذب غذا طی 2 ساعت اول در فاز نور می شود ]52[. همچنین لوین و همکاران (2005) گزارش کرده اند که تزریق NPW به PVN مصرف مواد غذایی را افزایش می دهد . این نتایج نشان می دهد که NPW به عنوان یک پپتید اشتها آور حاد عمل می کند. با این حال، موندال و همکاران (2003) گزارش کرده اند که هر دو شکل NPW باعث سرکوب تغذیه در فاز تاریک می شود،این نشان می دهد که اثر NPW در مورد تغذیه متفاوت است بسته به اینکه آیا حیوانات در نور و یا فاز تاریک نگهداری می شود]72[.
مطالعات عصبی انجام شده نشان داد که رابطه عصبی بین NPW و دیگر نوروپپتید های درگیر در تنظیم تغذیه باعث فعل و انفعالات عصبی بسیار نزدیک بین رشته های عصبی حاوی NPW و ارکسین یا هورمون MCH و رشته های عصبی در مغز موش های صحرایی می شود ]85[. در حالی که لوین و همکاران (2005) نشان داد که توزیع c-fos در نورون های حاوی ارکسین در منطقه ی پریفورنیکل در LH بعد از تزریق NPW در داخل بطن مغزی (icv) رخ داده است. جالب این است، که آنها همچنین سلول های NPW-LI در VMH، را نیز شناسایی کردند که به عنوان یک مرکز سیری شناخته شده است ]75[.
تاثیر لپتین بر روی عصب در VMH ، باعث کاهش میزان جذب غذا می شود و دیت و همکاران (2010) گزارش داده اند که سلول های عصبی NPW-LI و گیرنده های لپتین در این منطقه از مغز متمرکز شده اند . بیان NPW نیز به طور قابل توجهی در OB / OB و db/db موش تنظیم می شود. بنابراین، NPW ممکن است نقش مهمی در متابولیسم تغذیه و انرژی داشته باشد، و به عنوان یک جایگزین برای لپتین عمل کنید ]9[. علاوه بر این، NPW جذب مواد غذایی را از طریق گیرنده ملانوکورتین – 4 کاهش می دهد ، این بیانگر این است که NPW ممکن است نورون ها حاوی POMC را فعال و نورون های حاوی NPY را در ARC مهار کرده به کنترل و تنظیم در تغذیه بپردازد ]9[.
58420241935
شکل 2- 9 ) تصویر شماتیک بر اساس یافته های مطالعات مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی تنظیم اشتها در هیپوتالاموس توسط سلول های عصبی NPW و پپتید مرتبط با تغذیه در هیپوتالاموس.]72[
به تازگی، اسکرزبپسکی و همکاران (2012) نشان داده اند که NPB و NPW بیان و ترشح لپتین و رزیستین را تنظیم می کند ، و باعث افزایش لیپولیز چربی در موش می شود]84[ . هنگامی که NPW به موش داده شد، محققان نمی توانستند بالا رفتن فعالیت های حرکتی را شناسایی کنند ، اما افزایش میزان مصرف O2 و افزایش تولید CO2، و همچنین افزایش دمای بدن را مشاهد نمودند ]86[ . جالب توجه است، مندال و همکاران (2006) گزارش کرده اند که سطح NPW جدا شده از سلول های آنترال معده موش در حیوانات که غذا نخورده اند پایین تر است ، و میزان آن در حیواناتی که به آنها غذا داده شد افزایش یافت. در مقابل، GPR7 ( - / - ) موش های ماده فعالیت های پر خوری از خود در مقایسه با موش هایی از نوع وحشی نشان نمی دهند ]87[. علاوه بر این، دان و همکاران (2003) وجود تفاوت بین موش های نر و ماده با توجه به میزان توزیع NPW ارائه داده اند.
2-4-6: عملکرد اندوکرین NPW
مطالعات ایمنوهیستوشیمی نشان داده که GPR7 در PVN، غده هیپوفیز وغدد فوق کلیوی در انسان و موش ]88،79،73،10[، به ویژه درسلول های PVN و هیپوفیز خلفی بیان شده است . با این وجود گزارش نشده است که NPW برای رها سازی دیگر هورمون های هیپوفیز قدامی تاثیر بگذارد. تاثیرات نورواندوکرین NPW به طور مستقیم از طریق GPR7 در سلول های غده هیپوفیز به عنوان واسطه عمل نمی کند ،اما ممکن است به طور غیر مستقیم از طریق کنترل آزاد سازی هورمون هیپوتالاموس و آزاد سازی هورمون محرک قشر غده ی فوق کلیوی عمل کند ]89،73[.
NPW نقش مهمی در پاسخ هیپوتالاموس به استرس ایفا می کند. با این حال، سطوح هورمون رشد در پلاسما بعد از تزریق داخل بطن مغزی این پپتید مهار می شود. این یافته ها نشان می دهد که NPW لیگاند درون زا برای GPR7 و / یا GPR8 است و به عنوان یک میانجی نورواندوکرین عمل می کند ]53،52[.علاوه بر این، تیلور و همکاران (2005) گزارش کرده اند که تزریق NPW محور HPA را فعال می کند، و باعث افزایش در سطح کورتیکوسترون پلاسما در موش های هوشیار می شود. اما باعث تحریک آزادی اکسی توسین و وازوپرسین نمی شود و همچنین در گردش خون محیطی، تغییرات فشار خون و ضربان قلب را نغییر نمی دهد. علاوه بر این، تزریق داخل بطن مغزی آنتاگونیست CRF باعث کاهش قابل توجهی سطح کورتیکوسترون نمی شود، اگر چه قبل از تزریق آنتاگونیست CRF به طور قابل توجهی افزایش مرکزی NPW سطح کورتیکوسترون را کاهش می دهد ]90[.
پرایس و همکاران (2008) گزارش کرده اند که با توجه به اثرات مرکزی NPW از فعال شدن سلول های عصبی سوماتوستاتین کمانی، می تواند بیان هورمون های آزاد کننده هورمون رشد را متوقف کند. این یافته ها نشان می دهد که NPW درون زا ممکن است یک نقش فیزیولوژیک مرتبط در پاسخ نورواندوکرین به استرس در مغز بازی کند]91[.
2-5: کورتیزول
کورتیزول از بخش قشری غدد فوق کلیوی ترشح می شود. یکی از اثرات مهم کورتیزول، نقش آن روی سوخت و ساز کربوهیدرات ها، پروتئین ها و چربی ها است. این هورمون فرآیند گلوکونئوژنز را از اسیدهای آمینه تسهیل، لیپوژنز کبد را کاهش و چربی های موجود در بافت چربی را به حرکت در می اورد. دو تاثیر مهم دیگر کورتیزول عبارتند از: حفظ واکنش عروقی به کاتکولامین ها و جلوگیری از واکنش های التهابی و پاسخ طبیعی بافت ها نسبت به آسیب. کورتیزول یکی از مهم ترین هورمون های استروئیدی است که در تنظیم عملکردهای قلبی- عروقی، ایمونولوژیکی، هموستازی و متابولیکی نقش دارد]92[.
2-5-1:کورتیزول و فعالیت بدنی
فعالیت بدنی نشانه تلاش فردی برای حرکت از یک محل به محل دیگر است. توانایی فرد برای اجرای فعالیت معین به نوع تغذیه و تمرین، مقاومت خارجی و متغیرهای دیگر وابسته است. علاوه بر این، فعالیت بدنی می تواند 1)سبک، متوسط و یا سنگین باشد .2) کوتاه مدت یا دراز مدت باشد. 3)گروه خاصی از عضلات و یا عموم عضلات را درگیر کند [93].
در جریان این امر الگویی که نقش هورمون ها به هنگام ورزش، در فعالیت بدنی را می توان به پنج مرحله تقسیم کرد:
1.مرحله قبل از شروع فعالیت
2.مرحله شروع فعالیت
3. مرحله فعالیت
4. مرحله خستگی مفرط (چنان چه فعالیت به اندازه کافی سنگین باشد)
5.مرحله بازیافت
در مرحله اول که در حالت انتظار یا ابتدای اجرای برنامه ورزشی ، یک تغییر شدت متابولیکی از حالت استراحت به حالت فعالیت رخ می دهد. این تغییرات شدت متابولیکی اولیه مهم ترین واکنش هورمونی بدن را به همراه خواهد داشت. هورمون های محرک قشر غدد فوق کلیوی و کورتیزول که نیاز به استرس عمومی به عنوان محرک دارند، ترشح می شوند. در مرحله شروف فعلیت، بدن نسبت به تغییر شدید حالت هومئوستاز به حالت پرتلاش، واکنش نشان می دهد. در این هنگام، ترشح کورتیزول ادامه پیدا می کند . ودر مرحله سازگاری ممکن است ترشح کورتیزول به علت عدم تغییر در روند فعالیت، متوقف شود. در مرحله خستگی مفرط تخلیه هورمون های غدد فوق کلیوی به عنوان یک احتمال و کاهش شدت ترشح کورتیزول، احتمال دیگری در بروز خستگی مفرط عنوان گردیده است. تخلیه (قطع) هورمون های غدد فوق کلیوی یا هیپوفیز به علت بازخورد منفی نسبت به عوامل مختلف، موجب کاهش حضور مواد انرژی زا می شود. در پایان که مرحله بازیافت است فرد به تدریج به حالت استراحت برمی گردد. سطح هورمون ها پس از قطع فعالیت بالا خواهد بود حتی اگر شدت ترشح انها کم شود، سطح آنها برای مدتی بالا است تا این که تمام مولکول های هورمونی فعال تجزیه شوند. مجموع واکنش های هورمونی نسبت به فعالیت بدنی به نظر می رسد که ترشح هورمون ها در هر مرحله متفاوت باشد و متناسب با شدت استرس های هر مرحله تغییر می کند[93].
2-5-2: متابولیسم انرژی در فعالیت ورزشی
تنظیم هورمونی متابولیسم انرژی به مدت و شدت فعالیت ورزشی بستگی دارد، که تاثیر فعالیت ورزشی فزاینده شدید و فعالیت ورزشی دراز مدت بر هورمون کورتیزول مورد بررسی قرار می گیرد.
2-5-2-1: فعالیت ورزشی فزاینده و شدید

user8341

H1ProtiumH2DeuteriumH3TritiumRWMResistive-Wall ModeRFPReversed field pinch NTMNeoclassical Tearing-ModeMHDMagnetohydrodynamicTFToroidal Fieldمقدمه
مقدمهیکی از مهمترین اهداف بشر در جهتگیری زمینههای تحقیقاتی و پژوهشی، دستیابی به منابع جدید انرژی می‌باشد. در این راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآکتورهای هستهای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هستهای و همجوشی هسته‌ای.
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای، فراوانی بسیار زیاد منابع سوختی آن (سوخت اصلی راکتورهای همجوشی دوتریوم می‌باشد که در آب دریاها به وفور وجود دارد. تولید انرژی بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌ای به ازای هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]، عدم وجود معضل پسماندهای هسته‌ای با طول عمر طولانی در روش همجوشی و در نهایت ایمن‌تر بودن راکتورهای همجوشی در هنگام وقوع حوادث احتمالی است که سبب برتری آن بر شکافت هستهای گردیده است. سوخت‌های متنوعی در فرایند همجوشی هستهای قابل بکارگیری می‌باشد. از آن جمله دوتریوم-تریتیوم(D-T) ، دوتریوم-هلیوم 3 (D-3He)، دوتریوم-دوتریوم (D-D) و تریتیوم-تریتیوم (T-T) می‌باشد. بیشتر تحقیقات انجام شده در فرایندهای همجوشی بر روی سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نیز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذیری این سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها در بازه‌ی دمایی عملکردی راکتورها می‌باشد. این سوخت در کنار مزیت ذکر شده و سایر مزیت ها محدودیتهایی نیز دارد، نظیر پرتوزایی زیاد و گران بودن سوخت تریتیوم که جزو مواد اولیه این واکنش‌ها است. از طرفی دیگر واکنش همجوشی D-3He از میان سایر سوخت‌ها، به دلیل بازدهی بالاتر، تبدیل مستقیم انرژی و کاهش خطرات ناشی از تابش، هزینه تعمیر و نگهداری پایینتر و... مورد توجه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2-4]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kulcinski</Author><Year>1992</Year><RecNum>3</RecNum><record><rec-number>3</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060514">3</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kulcinski, G. L.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Fusion Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology</full-title></periodical><volume>21</volume><number>1779</number><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2003</Year><RecNum>4</RecNum><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060578">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Science and technology</secondary-title></titles><volume>44</volume><number>289</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2-4]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.
لذا با این مقدمه از فرایند همجوشی هستهای، در فصل اول به بیان روشهای مختلف همجوشی هستهای و سوخت‌های قابل استفاده می‌پردازیم. در فصل دوم سینتیک فرایند همجوشی دوتریوم و هلیوم 3 و پارامترهای موثر بر همجوشی تشریح شده و به بررسی پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی پرداخته و فرایند با پارامتر مورد نظر شبیه سازی میگردد. در فصل چهار برخی از روشهای کنترل ناپایداری در راکتور بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی به کمک پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به سوخت دوتریوم و هلیوم 3 با نتایج بدست آمده در سایر مطالعات مقایسه می‌شود.
فصل اول
همجوشی هستهای
فصل اول-همجوشی هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5].
1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+
PFJlY051bT44PC9SZWNOdW0+PERpc3BsYXlUZXh0PlsyNiwgMzMtMzddPC9EaXNwbGF5VGV4dD48
cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjg8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0i
RU4iIGRiLWlkPSJ6cmE1d3hzZDh6NXY1dWU5NXNnNTVheGo5cDAyMjBzMDB4eDUiIHRpbWVzdGFt
cD0iMTQyMzA2MTYyMiI+ODwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3Vy
bmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+
S2h2ZXN5dWssIFYuIEkuOyBhbmQgWXUgQ2hpcmtvdiwgQS47PC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwv
Y29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPkxvdy1yYWRpb2FjdGl2aXR5IETigJMzSGUgZnVz
aW9uIGZ1ZWwgY3ljbGVzIHdpdGggM0hlIHByb2R1Y3Rpb248L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0
bGU+UExBU01BIFBIWVNJQ1MgQU5EIENPTlRST0xMRUQgRlVTSU9OPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+
PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+UExBU01BIFBIWVNJQ1MgQU5EIENPTlRS
T0xMRUQgRlVTSU9OPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48cGFnZXM+MjUzLTI2MDwvcGFn
ZXM+PHZvbHVtZT40NDwvdm9sdW1lPjxkYXRlcz48eWVhcj4yMDAyPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHVy
bHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48QXV0aG9yPlNhbnRhcml1czwvQXV0aG9y
PjxZZWFyPjIwMDY8L1llYXI+PFJlY051bT4yOTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+
Mjk8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6cmE1d3hz
ZDh6NXY1dWU5NXNnNTVheGo5cDAyMjBzMDB4eDUiIHRpbWVzdGFtcD0iMTQyMzA2MzU4NiI+Mjk8
L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iSm91cm5hbCBBcnRpY2xlIj4xNzwv
cmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPlNhbnRhcml1cywgSi47PC9h
dXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPkEgU3RyYXRlZ3kg
Zm9yIETigJMzSGUgRGV2ZWxvcG1lbnQ8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+RnVzaW9uIFRl
Y2hub2xvZ3kgSW5zdGl0dXRlPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+
PGZ1bGwtdGl0bGU+RnVzaW9uIFRlY2hub2xvZ3kgSW5zdGl0dXRlPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVy
aW9kaWNhbD48ZGF0ZXM+PHllYXI+MjAwNjwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3Jl
Y29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ub2RkPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk5NDwvWWVhcj48
UmVjTnVtPjM2PC9SZWNOdW0+PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4zNjwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9InpyYTV3eHNkOHo1djV1ZTk1c2c1NWF4ajlw
MDIyMHMwMHh4NSIgdGltZXN0YW1wPSIxNDIzMDY0OTQwIj4zNjwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlz
PjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0
b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+VG9kZCwgSC5SaWRlcjs8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9j
b250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+QSBHZW5lcmFsIENyaXRpcXVlIG9mIEluZXJ0aWFs
IEVsZWN0cm9zdGF0aWMgQ29uZmluZW1lbnQgRnVzaW9uIFN5c3RlbXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRh
cnktdGl0bGU+dGhlc2lzIGluIHRoZSBNYXNzYWNodXNldHRzIEluc3RpdHV0ZSBvZiBUZWNobm9s

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 
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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s

user8310

3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ 25
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش 25
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش 26
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر 28
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی 30
3-3-6- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی 30
فصل چهارم- انطباق توربوشارژر 31
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر 32
4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور 32
4-3- انتخاب توربوشارژر 34
4-4 نواحی کاری کمپرسور 35
4-5- دریچه کنترل توربین 37
4-6- تاخیر در عملکرد توربوشارژر 37
4-7 تغییر در شرایط ورودی 38
4-8- فصل پنجم-مدلسازی موتور 40
5-1- مقدمه 41
5-2- تحلیل جریان در راهگاههای موتور با استفاده از رفتار موج فشاری 41
5--3 محاسبه پارامترهای عملکردی موتور 43
5-3- 1- فشار موثر متوسط اندیکاتوری و ترمزی 43
5-3-2- توان و مصرف سوخت ویژه 44
5-4- مدلسازی بازده حجمی 44
5-5- مدلسازی اصطکاک موتور 45
5-6- مدل اصطکاک جریان سیال 46
5-7-محاسبه ضریب جریان 47
5-8- محاسبه دبی جریان عبوری از سوپاپ 48
5-9-مدل انتقال حرارت بین سیال و راهگاههای جریان 49
5-10-مدلسازی انتقال حرارت در داخل سیلندر 49
5-11- مدلسازی پرخورانی موتور با استفاده از عملکرد پرخوران
5-11-1- انتخاب کمپرسور
5-11-2-انتخاب توربین 51
51
52
فصل شش - مدلسازی موتور EF7 با استفاده از نرم افزار GT-POWER 54
6-1- مدلسازی پورت های ورودی و خروجی 55
6-2- مدلسازی منیفولد و دریچه گاز 55
6-3- مدلسازی انژکتور 58
6-4- مشخصات سیلندر 59
6-5- مدلسازی توربوشارژر 60
6-6- مدلسازی خنک کن میانی 60
6-7- مدلسازی کاتالیست 61
6-8- مدلسازی احتراق 61
فصل هفت- نتایج توربوشارژ کردن موتور EF7 63
7-1- تغییرات اعمال شده به موتور تنفس طبیعی 64
7-2- تعیین هدف 66
7-3- نکاتی در مورد انتخاب توربوشارژر 67
7-4- مشخصات توربوشارژرهای انتخابی 68
7-5- اصطکاک موتورEF7 69
7-6- انتقال حرارت در داخل سیلندر 70
7-7- کالیبراسیون مدل موتور پرخورانی شده 70
7-8- پارامترهای عملکردی موتورEF7 در حالت بار کامل 84
7-9- مقایسه عملکرد دو توربوشارژر با استفاده از نتایج مدل 80
7-10- تعیین بهینه پارامترهای طراحی موتور پرخوران شده با استفاده از مدل 85
(فصل)هشتم-آنالیز حساسیت موتور EF7 95
8-1- آنالیز حساسیت 96
8-1-1- فشار موثر متوسط ترمزی 98
8-1-2-مصرف مخصوص ترمزی سوخت 99
8-1-3- راندمان حجمی 101
8-1-4-سرعت توربین 102
8-1-5- راندمان کمپرسور 104
8-1-6- فشار در پائین دست کمپرسور 105
8-1-7-جریان هوا 107
8-1-8- جریان سوخت 108
8-1-9- گشتاور ترمزی موتور 110
8-1-10- دمای پائین دست کمپرسور 111
8-1-11- دمای پائین دست خنک کن 113
8-1-12- دمای منیفولد 114
8-1-13- فشار منیفولد 116
8-1-14- فشار ورودی توربین 117
8-1-15- فشار خروجی توربین 119
8-1-16- دمای ورودی توربین 120
8-1-17- دمای خروجی از توربین 122
8-1-18- راندمان توربین 123
8-1-19- راندمان اندیکاتوری موتور 125
8-1-20- توان مصرفی کمپرسور 126
8-1-21- فشار موثر متوسط اندیکاتوری 128
8-1-22- ماکزیمم فشار سیلندر 129
8-1-23- درجه ماکزیمم فشار سیلندر 130
8-1-24- ماکزیمم دمای سیلندر 132
8-1-25- فشار ورودی به سیلندر 134
8-1-26- دمای ورودی به سیلندر 135
8-1-27- فشار خروجی از سیلندر 137
8-1-28- دمای خروجی از سیلندر 138
فصل نهم-سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده 140
9-1- هدف از سوپرتوربوشارژ کردن 141
9-2- سوپرشارژر روتز
9-3- مدلسلزی و نتایج سوپر شارژینگ 142
143
پیشنهادات
لیست مقالات ارائه شده 151
151
نتایج 152
ضمیمه 156
مراجع 161
چکیده انگلیسی 166
فهرست جداول
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
جدول (5-1) توضیح پارامترهای معادله (5-18)
جدول (6-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور تنفس طبیعی
جدول (7-1) مشخصات هندسی سیلندر موتور پرخوران شده
جدول (7-2) مقادیر ثابت فشار موثر متوسط اصطکاکی در دورهای مختلف
جدول(8-1) جدول تعریف متغیرها و مقدار آنها
جدول (8-2) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط ترمزی
جدول (8-3) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی مصرف مخصوص ترمزی سوخت
جدول (8-4) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان حجمی
جدول (8-5) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی سرعت توربین
جدول (8-6) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان کمپرسور
جدول (8-7) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار در پائین دست کمپرسور
جدول (8-8) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان هوا
جدول (8-9) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی جریان سوخت
جدول (8-10) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی گشتاور موتور
جدول (8-11) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست کمپرسور
جدول (8-12) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای پائین دست خنک کن
جدول (8-13) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای منیفولد
جدول (8-14) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار منیفولد
جدول (8-15) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی توربین
جدول (8-16) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی توربین
جدول (8-17) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی توربین
جدول (8-18) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از توربین
جدول (8-19) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-20) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان اندیکاتوری موتور
جدول (8-21) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی راندمان توربین
جدول (8-22) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار موثر متوسط اندیکاتوری
جدول (8-23) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم فشار سیلندر
جدول (8-24) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی درجه مربوط به ماکزیمم فشار
جدول (8-25) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی ماکزیمم دمای سیلندر
جدول (8-26) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار ورودی به سیلندر
جدول (8-27) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای ورودی به سیلندر
جدول (8-28) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی فشار خروجی از سیلندر
جدول (8-29) دسته بندی متغیرها بر حسب میزان تاثیر روی دمای خروجی از سیلندر
جدولA-1 نام های توربین و کمپرسور دو توربوشارژر
جدول A-2 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر1
جدول A-3 مشخصات عملکرد کمپرسور توربوشارژر 2
جدول(A-4 ) مشخصات عملکردی توربین
فهرست اشکال
شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ
شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور
شکل (4-1) نقشه عملکرد یک کمپرسور
شکل (4-2) مشخصه یک توربین جریان محوری
شکل(5-1) المان در نظر گرفته شده
شکل (6-1) طرحواره پورت های ورودی و خروجی
شکل (6-2) مدل سازی منیفولد توسط چند انشعاب
شکل (6-3) قرار دادن دستگاه مختصات در مرکز انشعاب
شکل (6-4) دریچه گاز
شکل (6-5) مشخصات هندسی سیلندر
شکل(6-6) زمانبندی جرقه در دورهای مختلف(TDC=0)
شکل (7-1) منحنی لیفت و زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی برای دو موتور تنفس طبیعی و پرخوران شده EF7
شکل (7-2 ) مقدار افزایش مورد نظر درگشتاور موتور در حالت تمام بار
شکل (7-3) مقادیر بیشینیه فشار سیلندر در دورهای مختلف برای یک موتور پرخورانی شده مشابه با موتورEF7 در حالت تمام بار
شکل (7-4) فشار موثر متوسط اصطکاک در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل (7-5) بازده اندیکه در دورهای مختلف در حالت بار کامل
شکل(7-6) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 1500
شکل(7-7) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2000
شکل(7-8) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 2500
شکل(7-9) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 3500
شکل(7-10) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 4800
شکل(7-11) منحنی فشار لحظه ای داخل سیلندر در حالت بار کامل در دور rpm 5000
شکل(7-12) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از کمپرسور برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-13) نتایج کالیبراسیون دبی هوا در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-14) نتایج کالیبراسیون بازده حجمی در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-15) نتایج کالیبراسیون گشتاور موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-16) نتایج کالیبراسیون فشار موثر متوسط ترمزی موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-17) نتایج کالیبراسیون جریان سوخت موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-18) نتایج کالیبراسیون فشار بعد از خنک کن موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-19) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی قبل از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-20) نتایج کالیبراسیون فشار گازهای خروجی بعد از توربین موتور پورخوران شده در دورهای مختلف برای دو حالت بار کامل و بار جزیی در زمانی که درصد فشردگی پدال گاز 25 درصد می باشد
شکل(7-21) بازده ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-22) گشتاور اندیکه در دورهای مختلف
شکل(7-23) گشتاور ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-24) مصرف سوخت ویژه ترمزی در دورهای مختلف
شکل(7-25) فشار مؤثر متوسط پمپاژ در دورهای مختلف
شکل(7-26) دمای خروجی از خنک کن میانی در دورهای مختلف
شکل(7-27) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (1)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-28) مقادیر گشتاور موتور EF7 TC که از توربوشارژر (2)برای پرخورانی استفاده شده است و گشتاور مورد نظر در حالت تمام بار
شکل(7-29) مقایسه بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف و در حالت تمام بار
شکل(7-30) مقادیر گشتاور خروجی موتور حاصل از مدل در ارتفاع ۲۰۰۰ متر از سطح دریا
شکل(7-31) بازده کمپرسور دو توربوشارژر در دورهای مختلف موتور در حالت بار کامل
شکل(7-32) دور توربوشارژر در مقابل دور موتور در حالت بار کامل
شکل(7-33) مقادیر فشار بیشینه داخل سیلندر در مقابل دور موتور قبل از اصلاح در پارامترهای طراحی
شکل(7-34) زمانبندی جرقه موتور در دورهای مختلف برای دو حالت تنفس طبیعی( (NAو پرخوران شده) (TC
شکل(7-35) دمای گازهای ورودی به توربین در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-36) فشار بیشینه داخل سیلندر در دورهای مختلف برای زمانبندی جرقه جدید برای موتور TC
شکل(7-37) فشار بیشینه داخل سیلندر موتور پورخوران شده در مقابل دور با زمانبندی جرقه جدید و نسبت تراکم 9.8
شکل(7-38) تعیین بهترین زمان باز شدن سوپاپ ورودی در دورrpm1500
شکل(7-39) شکل(7-43) منحنی سوپاپ ورودی و خروجی موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخوران شده
شکل(7-40) مقادیر بازده حجمی موتور پرخوران شده با دو منحنی سوپاپ مختلف در مقابل دور موتور
شکل(7-41) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی کمپرسور در حالت بار کامل
شکل(7-42) نقاط کارکردی موتور بر روی منحنی عملکردی توربین در حالت بار کامل
شکل(7-43) مقدار دبی جرمی عبوری از دریچه کنترل توربین در دورهای مختلف
شکل(7-44) بازده حجمی موتور EF7 در مقابل دور موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-45) مقادیر گشتاور ترمزی در مقابل دور موتور برای موتور EF7 در حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-46) مقادیر فشار بیشینه سیلندر در دورهای مختلف موتور برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-47) دمای گازهای حاصل از احتراق در خروجی منیفولد خروجی در موتورEF7 برای دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی شده
شکل(7-48) ماکزیمم فشار سیلندر
شکل(7-49) سرعت گردشی کمپرسور
شکل(7-50) شکل BMEP موتور EF7 مدل شده
نمودار (8-1) آنالیز حساسیت فشار موثر متوسط ترمزی
نمودار (8-2) متوسط مقادیر مطلق فشار موثر متوسط ترمزی در سرعت های مختلف
نمودار (8-3) نتایج آنالیز حساسیت برای مصرف مخصوص ترمزی سوخت
نمودار (8-4) متوسط مقادیر مصرف مخصوص ترمزی سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-5) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان حجمی
نمودار (8-6) متوسط مقادیر راندمان حجمی در سرعت های مختلف
نمودار (8-7) نتایج آنالیز حساسیت برای سرعت توربین
نمودار (8-8) متوسط مقادیر سرعت توربین در سرعت های مختلف موتور
نمودار (8-9) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان کمپرسور
نمودار (8-10) متوسط مقادیر راندمان کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-11) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار در پائین دست کمپرسور
نمودار (8-12) متوسط مقادیر فشار در پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-13) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان هوا
نمودار (8-14) متوسط مقادیر جریان هوا در سرعت های مختلف
نمودار (8-15) نتایج آنالیز حساسیت برای جریان سوخت
نمودار (8-16) متوسط مقادیر جریان سوخت در سرعت های مختلف
نمودار (8-17) نتایج آنالیز حساسیت برای گشتاور ترمزی موتور
نمودار (8-18) متوسط مقادیر گشتاور موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-19) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست کمپرسور
نمودار (8-20) متوسط مقادیر دمای پائین دست کمپرسور در سرعت های مختلف
نمودار (8-21) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای پائین دست خنک کن
نمودار (8-22) متوسط مقادیر دمای پائین دست خنک کن در سرعت های مختلف
نمودار (8-23) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای منیفولد
نمودار (8-24) متوسط مقادیر دمای منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-25) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار منیفولد
نمودار (8-26) متوسط مقادیر فشار منیفولد در سرعت های مختلف
نمودار (8-27) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی توربین
نمودار (8-28) متوسط مقادیر فشار ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-29) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی توربین
نمودار (8-30) متوسط مقادیر فشار خروجی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-31) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی توربین
نمودار (8-32) متوسط مقادیر دمای ورودی توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-33) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از توربین
نمودار (8-34) متوسط مقادیر دمای خروجی از توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-35) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان توربین
نمودار (8-36) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-37) نتایج آنالیز حساسیت برای راندمان اندیکاتوری موتور
نمودار (8-38) متوسط مقادیر راندمان اندیکاتوری موتور در سرعت های مختلف
نمودار (8-39) نتایج آنالیز حساسیت برای توان مصرفی کمپرسور
نمودار (8-40) متوسط مقادیر راندمان توربین در سرعت های مختلف
نمودار (8-41) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار موثر متوسط اندیکاتوری
نمودار (8-42) متوسط مقادیر فشار موثر متوسط اندیکاتوری در سرعت های مختلف
نمودار (8-43) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم فشار سیلندر
نمودار (8-44) متوسط مقادیر ماکزیمم فشار سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-45) نتایج آنالیز حساسیت برای درجه ماکزیمم فشار سیلندر

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

نمودار (8-46) متوسط مقادیر درجه مربوط به ماکزیمم فشار در سرعت های مختلف
نمودار (8-47) نتایج آنالیز حساسیت برای ماکزیمم دمای سیلندر
نمودار (8-48) متوسط مقادیر ماکزیمم دمای سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-49) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار ورودی به سیلندر
نمودار (8-50) متوسط مقادیر فشار ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-51) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای ورودی به سیلندر
نمودار (8-52) متوسط مقادیر دمای ورودی به سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-53) نتایج آنالیز حساسیت برای فشار خروجی از سیلندر
نمودار (8-54) متوسط مقادیر فشار خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
نمودار (8-55) نتایج آنالیز حساسیت برای دمای خروجی از سیلندر
نمودار (8-56) متوسط مقادیر دمای خروجی از سیلندر در سرعت های مختلف
شکل(9-1) منحنی عملکرد موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالت بار کامل
شکل(9-2) مسیر جریان هوا در کمپرسور روتز
شکل(9-3) طریقه اتصال توربوشارژ و سوپرشارژ به موتور
شکل(9-4) نحوه قرار گیری سوپرشارژ و توربوشارژ در مدل
شکل(9-5) انطباق ناصحیح موتور و یک سوپرشارژ روتز
شکل(9-6) نقشه عملکرد کمپرسور همراه نقاط عملکردی موتور در حالت بار کامل
شکل(9-7) فشار داخل سیلندر با نسبت دنده5.1 در حالت بار کامل
شکل(9-8) دمای گازهای ورودی به توربین در حالت بار کامل
شکل(9-9) مقایسه توان ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-10) مقایسه گشتاور ترمزی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-11) مقایسه راندمان حجمی دو موتور توربوشارژ شده و سوپرتوربوشارژ شده
شکل(9-12) میزان گشودگی دریچه میان گذر
شکل(9-13) میزان افزایش گشتاور توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
شکل(9-14) میزان افزایش راندمان حجمی توسط سوپرشارژ بعد از رعایت حد کوبش
فهرست علائم
دما
فشار
دور N
قطر D
شعاع R
دبی جرمی
ظرفیت گرمایی ویژه گاز
حجم جاروب شده
فشار منیفولد
دمای منیفولد
سطح
سرعت صوت
سرعت صوت بی بعد
طول
ضریب تخلیه جریان
سطح موثر
عدد پرانتل
نرخ جریان سوخت انژکتور(g/s)
سرعت موتور(rpm)
حجم جابجایی(liter)
نسبت سوخت به هوا
تعداد سیلندرها
مدت تزریق(بر حسب زاویه لنگ)
مقدمه
متوسط غلظت آلاینده هائی مانند منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته و اکسیدهای نیتروژن در بسیاری از نقاط شهر تهران بیشتر از حد مجاز توصیه شده توسط سازمان بهداشت جهانی می‌باشد. با توجه به رشد سریع ترافیک، وضعیت در آینده بدتر خواهد شد.
با توجه به اینکه 89 درصد از منابع آلوده کننده هوای تهران مربوط به خودروها است جایگزینی سوختهای پاکتر که هم از نظر اقتصادی با صرفه تر و هم از لحاظ اثرات زیست محیطی آلودگی کمتری داشته باشند مورد توجه قرار گرفته و بصورت یک ضرورت اجتماعی مطرح گردیده است[1].
گاز سوختی ارزان با آلودگی کمتر است و در صورت فراهم شدن امکان دسترسی بیشتر، یکی از بهترین سوختهای جایگزین بنزین و گازوئیل می‌باشد. با گازسوز کردن خودروها، منواکسیدکربن، هیدروکربنهای نسوخته، دی اکسید گوگرد و ذرات معلق حاصل از احتراق به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابند. علاوه براین سرب بعنوان یکی از زیانبارترین آلوده کننده ها به کلی حذف می‌شود و همچنین از سروصدای موتور نیز کاسته می‌شود.
در مقایسه موتورهای گازسوز با موتورهای بنزینی، توان حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد کاسته می‌شود. دو علت عمده این کاهش یکی حالت گازی سوخت CNGدر هنگام تزریق به موتور می‌باشد که مقداری از فضای هوای ورودی به موتور را اشغال می‌نماید و باعث افت راندمان حجمی می‌گردد، دلیل دیگر بالابودن نسبت هوا به سوخت در شرایط استوکیومتری گاز نسبت به بنزین می‌باشد که برای گاز این رقم در حدود 17.2 به یک می‌باشد و برای بنزین 14.7 به یک می‌باشد. این عامل نیاز بیشتر موتور گازسوز به هوا را نسبت به موتور بنزینی معلوم می سازد یعنی به زبان دیگر اگر بتوان آن مقدار گازی را وارد موتور نماییم که مقدار انرژی آزاد شده آن معادل مقدار بنزین وارد شده به موتور باشد، می‌بایست هوای بیشتری نسبت به حالت بنزینی وارد موتور گردد.
چون مقدار هوای ورودی به موتور در حالت گازی حتی کمتر از مقدار آن درحالت بنزینی می‌باشد بنابراین در موتورهای گازسوز برای بهبود عملکرد نیاز به هوای بیشتری می‌باشد. با توجه به مقاومت گاز طبیعی در مقابل خوداشتعالی می‌توان توان کاسته شده را توسط روشهای مختلفی جبران کرد. اگر خواستار تشویق مردم برای استفاده از گاز طبیعی هستیم کاهش توان در زمان استفاده از گاز طبیعی قابل قبول نیست. روشی که در این نوشتار برای بدست آوردن قدرت بیشتر ارائه می‌شود، عبارت است از بکارگیری توربوشارژر به منظور افزایش دبی جرمی هوا و متعاقب آن افزایش راندمان حجمی و قدرت موتور. همچنین با استفاده از پرخورانی می‌توان برخی از آلاینده های موتور را با هوادهی بیشتر یا اصطلاحا فقیرسوز کردن موتور درحد پائین تری نگه داشت.
فصل اول
مقدمه و مرور بر تحقیقات انجام شده در گذشته
1-1- تاریخچه
توربوشارژینگ موتورهای احتراق داخلی ایده ای بود که به فاصله کمی از اختراع موتورهای احتراق داخلی مطرح گردید. در سال 1885 دایملر پروژه - ریسرچای درباره استفاده از یک فن یا کمپرسور برای اضافه کردن هوای ورودی به موتور دریافت کرد. در سال 1902 لوییس رنو برای اولین بار توربوشارژری از نوع سانتریفیوژ ساخت و بر روی موتور نمونه ای نصب کرد. این توربوشارژر توسط تسمه به میل لنگ متصل می‌گشت و با پنج برابر سرعت آن دوران می‌کرد. اولین سوپرشارژ متحرک با دود اگزوز (توربوشارژ) بین سال های 1909 و 1912 توسط دکتر آلفرد بوچی سوئیسی ساخته شد. اولین نمونه موتور دیزل مجهز به توربوشاژر را او در سال 1915 ارائه کرد[2]. در توربوشارژر ساخت بوچی توربین و کمپرسور هر دو از نوع جریان محوری بودند که توسط اتصال مکانیکی به میل لنگ موتور متصل می شدند. امروزه به این نوع موتور، موتور مرکب اتلاق می‌شود. بعد از چند سال بوچی مدل اصلاح شده ای را مطرح کرد که در آن اتصال مکانیکی بین موتور و توربوشارژر برداشته شده بود، ولی اتصال مکانیکی بین توربین و کمپرسور کماکان پابرجا بود. اولین توربوشارژر ساخت بوچی از نوع جریان یکنواخت بود که با موفقیت و اقبال روبرو نگردید. در سال 1925 بوچی سیستم موفق توربوشارژ ضربه ای ارائه کرد، که به مدل بوچی معروف می‌باشد. رونق بیشتر توربوشارژینگ زمانی آغاز شد که توربوشارژرها بر روی موتورهای سیلندر و پیستونی هواپیماها نصب گردید و میزان سقف پرواز را افزایش داد. زیرا در این هواپیما این مشکل وجود داشت که با اوج گرفتن هواپیما به علت کاهش فشار، قدرت خروجی موتور شدیدا کاهش می‌یافت و این امر سقف پرواز را محدود می‌کرد. با بکارگیری توربوشارژرها و افزایش فشار ورودی کمک زیادی به افزایش ارتفاع پرواز شد. تا زمان جنگ جهانی دوم صنعت توربوشارژر توسعه زیادی یافت. بکارگیری توربوشارژر بر روی موتور دیزلی بهترین روش برای کاهش هزینه های مصرف سوخت، کاهش جای مورد نیاز برای موتور و کاهش وزن موتور، افزایش راندمان و کاهش صدا بود. در دهه هفتاد میلادی استفاده از توربوشارژر برای موتورهای بنزینی بسیار رواج پیدا کرد و کمپانیها خودروهای اسپرتی خود را با موتورهای توربوشارژری ارائه کردند ولی به دلیل تاخیر عملکرد توربوشارژر این موتورها با استقبال مصرف کنندگان روبرو نشدند. توفیق توربوشارژینگ در صنعت خودروهای سواری از زمان ارائه توربو دیزل هایی بود که می‌توانستند با حجم مساوی با موتورهای بنزینی برابری کنند و از لحاظ آلودگی در سطح پائین تری نسبت به موتورهای بنزینی قرار بگیرند[3].1-2- تجربیات انجام شده در زمینه موتور گازسوز
فعالیت های انجام شده را می‌توان به دو دسته کلی مدل سازی موتورها و انطباق تقسیم بندی نمود. تا به امروز، بیشتر تلاشها به مدل سازی موتورهای احتراق داخلی محدود بوده است. از اینرو در ابتدا به تاریخچه مدل سازی موتور می پردازیم.
نخستین قدم جدی در این راه توسط بنسون و آناند برداشته شد[4]. این دو دانشمند مدل شبیه سازی تحلیلی موتور را پایه گذاری کردند. در این مدل هر فرآیند به چند مدل ساده ریاضی تبدیل می شد که برای هر یک از این مدل ها فرم های خاصی از معادلات بقا صادق بود. این زیر مجموعه ها در نهایت به یکدیگر مرتبط می شدند. این مدل سازی علیرغم محدودیت زیاد به علت سادگی و دقت مناسب هنوز از روش های متداول و معتبر به حساب می‌آید.
چند سال بعد این روش بهبود یافت. بنسون و بورا[5] با در نظر گرفتن مدل احتراق دو ناحیه ای با کمک روش عددی رانگ کوتا توانستند به نتایجی بسیار نزدیک به اندازه گیری های تجربی دست یابند. امروزه این روش به دلیل سادگی و جامع بودن یکی از معتبرترین روش های تحلیلی برای آنالیز موتور به حساب می‌آید.
با افزایش بهای بنزین و بحران جهانی سوخت در دهه 1970 مطالعات بنیادی روی سوخت های جایگزین از جمله گاز طبیعی رونق یافت. این روند بار دیگر در دهه 1990 و به منظور غلبه بر مشکل آلودگی محیط زیست احیا گردید. برای شناخت بیشتر و بهتر خواص موتورهای گاز طبیعی ویکس وموسکوا[6] به روش تجربی و با کمک یک دستگاه اندازه گیری فشار غیرخطی، نرخ گذرای هوای عبوری از موتور را در حالات مختلف کاری اندازه گیری کردند.
ویزینسکی و واگنر[7] از دانشگاه بیرمنگام تحقیقات مفصلی بر روی نوع خاصی از سیستم EGR انجام دادند. با استفاده از گازهای خروجی از موتور که سرشار از هیدروژن می‌باشد، توانستند راندمان احتراق را به نحو قابل توجهی افزایش دهند.
در کنار این تحلیل ها تلاش های زیادی برای تعیین استانداردها و دسته بندی مزایا و معایب این موتورها به عمل آمد. از آن جمله وگزین و گوروویچ [8] مزایا و معایب گاز طبیعی مایع شده را برای اتوبوسها و کامیونها بررسی نمودند.
همزمان با تحقیقات انجام شده در زمینه های احتراق داخلی و انتقال حرارت، سیستم های کنترلی مورد استفاده نیز تحت بررسی قرار گرفتند تا با بهینه سازی آن ها آلودگی محیط کاهش و راندمان موتورها افزایش یابد. از جمله این فعالیتها و تحقیقات می‌توان به تلاش مالم و کیست [9] اشاره کرد. آنها با اندازه گیری بار و دور موتور در محدوده وسیع دما و ترکیب آن ها با اندازه گیری دینامیکی فشار و ارتعاش سیلندر سیستم های کنترلی را تحت بررسی قراردادند.
در همین زمان تحقیقات مفصلی نیز بر روی انطباق موتور و توربوشارژر انجام شد. پنج دانشمند ژاپنی به نامهای فوکوزاوا، شیمادو، کاکوهوما، اندو و تاناکا تغییرات راندمان حرارتی موتور گازسوز شش سیلندر را نسبت به پارامترهای نسبت تراکم، شکل محفظه احتراق، اثر سوپاپها و خود توربوشارژر مورد برسی قراردادند[10].
در لابراتوار ملی ماشین های گازی NGML یک سری آزمایش توسط چپمن از دانشگاه کانزاس برای تطابق توربوشارژر و موتور گاز طبیعی دو زمانه صورت گرفت[11] تا اثر این تطابق روی راندمان این مجموعه و میزان تولید NOx مورد بررسی قرارگیرد.
پلکمنس، دوکوکلیر، و لنارس اتوبوسها و کامیونهای با سوخت دیزل را با گاز طبیعی از لحاظ میزان سوخت توان و میزان ایجاد آلاینده ها مورد مقایسه قرار دادند[12].
همچنین با استفاده از مدلسازی یکبعدی بسیاری از مهندسان فعالیت هایی در زمینه بهینه سازی عملکرد موتور انجام داده اند که از آن جمله می‌توان به انتخاب توربوشارژر متناسب با یک موتور مشخص اشاره نمود.[13]
در کشور ما در سال های اخیر چند پروژه تحقیقاتی نیز به ثبت رسیده است که در آنها با مدلسازی یک موتور تغذیه طبیعی، رفتار کاری موتور توربوشارژری را پیش بینی می‌نماید[14].
1-3- اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر
اقدامات فراوانی برای نصب توربوشارژر بر روی خودروها و بهینه سازی آن صورت گرفته است. در یک تحقیق تاثیر تغییرات زمان بندی سوپاپ ها بر روی قدرت و کاهش مصرف سوخت موتورهای توربوشارژری بررسی شده است[15]. در این پروژه - ریسرچبیان شده است که برای کاهش مصرف سوخت احتیاج به افزایش نسبت تراکم می‌باشد و برای جلوگیری از تولید کوبش، بازخوراند گاز اگزوز در حالت بار کامل راهکار مناسبی است. در عین حال بیان می‌دارد چهار سوپاپه بودن این موتور قدرت آن را تا 20% افزایش می‌دهد.
در تحقیق دیگر موتور 6 سیلندر جگوار با حجم 4 لیتر به سوپرشارژر و خنک کن هوا مجهز گردیده است[16]. هدف اصلی این پروژه افزایش گشتاور این موتور در دورهای پائین و کاهش آلایندگی بوده است. پس از انجام تمامی تغییرات و نصب سوپرشارژر این نتیجه حاصل شد که در حالت دریچه کاملا باز خروجی موتور بسیار مطلوب است و از قدرت خروجی موتور 12 سیلندر جگوار پیشی می‌گیرد و افزایش قدرتی بین 35 تا 50% با موتور 6 سیلندر اولیه حاصل می‌شود. در نهایت جگوار توانسته است با انتخاب مناسب سوپرشارژر میزان قدرت موتور چهار لیتری خود را به موتور 6 لیتری تنفس طبیعی برساند، در حالیکه مصرف سوخت آن در حد موتور چهار لیتری تنفس طبیعی می‌باشد.
طی یک تحقیق توسط اسپیندلر، اقدام به نصب توربوشارژر بر روی یک موتور بنزینی(با حداکثر قدرت 70 کیلو وات) با هدف افزایش قدرت، کاهش مصرف ویژه سوخت و کاهش آلودگی، شده است[17]. بعد از آزمایش تعداد زیادی توربوشارژر با سطح مقطع های مختلف، این نتیجه حاصل شد که هر چه سطح مقطع کوچک تر باشد، میزان گشتاور در سرعت های پائینتر افزایش می‌یابد ولی میزان فشار خروجی موتور در سرعت های بالاتر زیاد خواهد بود. لذا لازم است شرایط بهینه ای بین این دو مسئله انتخاب گردد. آزمایشها نشان داده است استفاده از توربین هایی با دو ورودی حائز ارجحیت می‌باشد[17]. در نهایت روش بهینه ای که انتخاب گردیده است روش ضربانی به همراه توربینی با دو ورودی می‌باشد. نتیجه این تغییرات افزایش قدرت موتور تا 120 اسب بخار با منحنی گشتاوری مشابه موتور تنفس طبیعی با همان قدرت با مزیت کوچکی ابعاد و کمی وزن (150 کیلوگرم در مقابل 185 کیلوگرم) و نیز کم بودن آلاینده های گاز اگزوز می‌باشد.
در تحقیق دیگر موتورهای هینو که بر روی کامیون ها کاربرد دارد با هدف بهینه سازی مصرف سوخت و کاهش آلودگی ها بخصوص اکسیدهای نیتروژن به توربوشارژر مجهز گردیده است[18]. در نتیجه بهبود مصرف سوخت، افزایش گشتاور در سرعت های بالا و ثابت ماندن میزان تولید NOx حاصل شده است. به عنوان یک نتیجه گیری در این پروژه - ریسرچذکر شده است که در انتخاب توربوشارژر اگر هدف افزایش شتاب اولیه و قدرت در سرعت پائین باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه کوچک و دریچه فرار مناسب می‌باشد. در صورتیکه هدف کاهش مصرف سوخت در سرعت های بالای موتور باشد، استفاده از یک توربوشارژر با اندازه بزرگ توصیه می‌گردد.
فیلیپی در سال 1994 انطباق توربوشارژر با موتور را به صورت میانیابی در نقشه عملکرد توربوشارژر انجام داد9]1 .[در این تحقیق سه مدل برای سطح سوپاپ در نظر گرفته شد و سعی شده است تا برای به دست آوردن راندمان بیشتر، بهترین مدل سوپاپ به دست آید. در این تحقیق از فناوری سطح متغیر سوپاپ و از مدل صفر بعدی (مدل ترمودینامیکی) برای موتور استفاده شد. برای احتراق مدل شعله دو ناحیه‌ای در نظر گرفته شد که بدین ترتیب شکل محفظه احتراق در محاسبات تأثیر خواهد داشت.
واتسون در بررسی انطباق موتور به توربوشارژر به انطباق موتور لیلاند با چند توربوشارژر متفاوت پرداخت[20]، او عملیات انطباق را توافقی بین گشتاور، توان خروجی موتور، محدوده سرعت موتور، محدودیت دما ، فشار و آلودگی موتور دانست. وی استفاده از توربوشارژرهای هندسه متغیر را بهترین راه توربوشارژرینگ دانست اما در عین حال این نوع توربوشارژرها را از نظر قیمت و قابلیت اطمینان مناسب نمی‌دانست.
اینوال و یوهانسون در سال 1997 روی موتور گاز طبیعی سوز توربورشارژر شده Volvo TD 102 شش نوع پیستون مختلف با محفظه احتراق متفاوت را آزمایش کردند و سرعت متوسط و توربولانس را با سرعت‌سنج لیزری اندازه‌گیری نمودند[21]. آنها علاوه بر موارد فوق، انتقال حرارت، فشار، بازده و آلودگی را اندازه‌گیری کردند. بیشترین توربولانس در محفظه کوارتت در نزدیکی نقطه مرگ بالا مشاهده شد. اندازه‌گیری فشار و انتقال حرارت نیز نشان می‌دهد که این محفظه احتراق سریعی دارد. در عین حال، این محفظه احتراق بیشترین محدوده لاندا را بین کوبش و عدم اشتعال دارد. همچنین کمترین میزان NOx و HCرا دارا می‌باشد و بهترین حالت پایداری احتراق را دارا می‌باشد. دو محفظه احتراق توربین و نبولا نسبت به حالت قبل احتراق نامناسب‌تری دارند. محفظه‌های احتراق دیگر شرایط بدتری را نشان می‌دهد.
گوارنی و سندال[22] در سال 2002 موتور احتراق جرقه‌ای را به صورت یک بعدی مدل کردند و نتایج آن را با نتایج تجربی مقایسه کردند و مدل خود را برای پیش‌بینی راندمان منیفولد و طراحی آن و زمان‌بندی سوپاپ‌ها بسیار کاربردی دانستند و دقت مدل خود را با بررسی تجربی روی موتور نشان دادند.
1-4- معرفی پروژه حاضر
در بخش اول این پروژه تاریخچه ابداع و اقدامات انجام شده برای نصب توربوشارژر مرور می‌شود. در بخش دوم هدف استفاده از توربوشارژینگ و روش های آن توضیح داده می‌شود. بخش سوم تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر، مشکلات توربوشارژینگ و روش های کاهش آن را بیان می‌کند. در بخش چهارم به معادلات حاکم بر توربوشارژر، انتخاب و انطباق توربوشارژر مناسب پرداخته می‌شود. بخش پنجم معادلات و روش مدلسازی موتور و توربوشارژر در نرم افزار GT POWER توضیح داده می‌شود. بخش هفتم مدلسازی موتورEF7 توربوشارژ شده گاز سوز ارائه می‌شود، سپس برای اطمینان از صحت عملکرد این مدل نتایج بدست آمده از مدلسازی در حالت تمام بار و بار جزیی در زمانی که میزان فشردگی دریچه گاز 25 درصد است، روش کالیبراسیون و مقایسه نتایج آن با نتایج تست های تجربی آورده می‌شود. در بخش هشتم آنالیز حساسیت موتور توربوشارژ شده برای بسیاری از پارامترهای عملکردی موتور و توربوشارژر و دما و فشار اکثر نقاط نسبت به شرایط هوای ورودی، تایمینگ سوپاپ ها، زمان جرقه، نسبت تراکم و تغییر هندسه سیستم مکش و تخلیه انجام می‌شود. در بخش نهم سوپرشارژ کردن موتور توربوشارژ شده به منظور افزایش فشار تقویتی در دورهای پائین موتور که توربوشارژ قادر به تامین آن به دلیل سرعت پائین خود، نمی‌باشد توضیح داده می‌شود و به دنبال آن نتایج سوپرتوربوشارژ کردن موتور EF7 گازسوز نشان داده می‌شود. در آخر نتایج به دست آمده از انجام پژوهش بیان شده است.

فصل دوم
توربوشارژ کردن موتورهای احتراق داخلی
2-1- هدف توربوشارژینگ
بطور کلی توربوشارژرها را به دو منظور عمده در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می دهند.
استفاده از توربوشارژر به جهت بالا بردن توان و عملکرد بهتر موتور، دراین حالت می‌توان با افزایش فشار و چگالی هوای ورودی و اضافه کردن مقدار پاشش سوخت توان یک موتور را تا دو برابر افزایش داد. بنابراین با طراحی مناسب قطعاتی مانند پیستونها، شاتونها، یاتاقانها و سایر اجزا موتور برای شرایط توربوشارژرینگ می‌توان مقدار قدرت به وزن موتور را بالا برد و بجای استفاده از موتورهایی با حجم بالا و قدرت بالا، موتورهای کم حجم تر و مجهز به توربوشارژر با راندمان و قدرت بالا استفاده نمود.
استفاده از توربوشارژر جهت کاهش آلایندگی موتور، هرگاه با ثابت نگه داشتن مقدار سوخت وارد شده به موتور مقدار هوای ورودی را افزایش دهیم می‌توانیم مقدار آلایندگی موتور را کاهش دهیم این روش عمدتًا در موتورهای دیزلی که مخلوط شدن سوخت و هوا بسیار مهم و کیفیت احتراق بسته به این موضوع می‌باشد بسیار حائز اهمیت می‌باشد. واردکردن هوای فشرده با ثابت نگه داشتن سوخت باعث بهبود احتراق و کاهش آلایندگی بدلیل بالا رفتن میزان نسبت هوا به سوخت در موتور می‌گردد.
در بعضی موارد هر دو روش را در یک موتور انجام می‌دهند یعنی با بالا بردن نسبتًا زیاد فشار هوای ورودی و افزایش کم سوخت نسبت به موتور معمولی می‌توان هم توان یک موتور را بالا برد هم مقدار آلایندگی موتور را کاهش داد .[23]
2-2- روشهای پرخورانی
دو روش کلی برای پرخورانی در موتورهای احتراق داخلی وجود دارد:
پرخورانی توسط سوپرشارژها
سوپرشارژها پرخورانهایی می‌باشند که تنها از یک کمپرسور تشکیل شده اند. این کمپرسور توسط تسمه یا چرخ دنده از میل لنگ موتور نیرو گرفته و باعث افزایش فشار هوای ورودی به موتور می‌گردد. از مزایای سوپرشارژها، می‌توان به عکس العمل سریع پرخوران در دورهای پائین موتور اشاره نمود که بدلیل متصل بودن سوپرشارژها توسط تسمه یا چرخ دنده به میل لنگ موتور، این امکان فراهم می‌گردد. بنابراین با افزایش سریع دور موتور، پرخوران به سرعت فعال می‌گردد. از معایب سوپرشارژها توان گرفته شده از میل لنگ موتور است که در حدود ۳۰ درصد از توان افزایش یافته توسط سوپرشارژر است که می‌بایست صرف خود سوپرشارژر گردد. در شکل (2-1) یک نمونه سوپرشارژ نشان داده شده است.

شکل(2-1) یک نمونه سوپرشارژر
پرخورانی توسط توربوشارژرها
توربوشارژرها، پرخورانهایی هستند که از یک توربین و یک کمپرسور با شافت مشترک تشکیل شده اند. در این پرخورانها قسمت ورودی توربین به فلانچ خروجی چند راهه دود متصل می‌گردد و قسمت خروجی توربین به مسیر اگزوز متصل می‌شود. در هنگام خروج محصولات احتراق از چندراهه خروجی، گازهای گرم با سرعت بالا به پره های توربین نیرو وارد می‌نماید و باعث چرخش آن می‌شود و پس از انتقال انرژی خود به پره ها از توربین خارج می گردد. شفت متصل به این چرخ توربین از سمت دیگر به چرخ پره کمپرسور متصل می‌باشد که با چرخش و سرعت بالای خود سیال ورودی(هوا) را از ورودی کمپرسور که به مسیر صافی هوا متصل می‌باشد به داخل کمپرسور شعاعی یا گریز از مرکز کشیده و با عبور از صدا خفه کن وارد چرخ‌گردان کمپرسور می‌شود و پس از انتقال انرژی از پره‌های چرخ‌گردان به این هوا، موجب شتاب گرفتن و به تبع افزایش سرعت آن می‌شود، سپس به درون دیفیوزر هدایت می‌شود. در درون دیفیوزر انرژی جنبشی هوا به انرژی فشاری تبدیل شده و با فشار زیاد وارد خروجی کمپرسور که به مسیر چند راهه ورودی متصل می‌باشد می‌گردد. از طرفی دیگر بالا رفتن فشار هوا منجر به گرم شدن آن می‌گردد. افزایش دما در شروع تراکم موجب مشکلات خود اشتعالی و کوبش در قسمت انتهای مرحله تراکم و یا در طی احتراق می‌گردد. به این دلیل کمپرسورها می‌توانند به یک پس‌خنک‌کن مجهز گردند تا دمای هوای متراکم شده ورودی را کاهش دهند. پس‌خنک‌کن، مبدل های گرما هستند که اغلب از هوای بیرون به عنوان سیال خنک کننده استفاده می‌کنند. همچنین بسیاری از توربوشارژرها دارای یک میان‌بر هستند که در صورت عدم نیاز به افزایش فشار هوای ورودی، گازهای خروجی می‌توانند توربوشارژر را دور بزنند. توربین‌های پیشرفته امروزی دارای هندسه تغییر سطح مقطع ورودی از طریق پره های راهنمای ورودی توربین می‌باشند، به طوریکه با نقاط عملیاتی مختلف موتور، حداکثر بازده حاصل گردد. برای مثال هنگامی که موتور با سرعت پائین در حال فعالیت است، جریان سطح مقطع با بسته شدن این پره‌های راهنما کاهش می‌یابد. توربوشارژرها ممکن است به یک تانک روغن اضطراری نیز مجهز باشند که اگر سیستم روغن‌کاری اصلی موتور از کار افتاد، این سیستم رزرو بتواند روغن‌کاری روتورهای دوار در میان دو یاتاقان صفحه‌ای شعاعی را انجام دهد. توربوشارژرها را وسیعتر ازسوپرشارژرها مورد استفاده قرار می‌دهند. توربوشارژرها بخشی از انرژی جنبشی گازهای خروجی اگزوز را که در موتورهای معمولی تلف می‌گردد را به کار تبدیل کرده و به موتور باز می گرداند، همچنین بالا بودن فشار هوای ورودی و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا باعث بهتر شدن کیفیت احتراق می‌گردد. بنابراین راندمان حرارتی در موتورهای توربوشارژ شده نسبت به موتورهای معمولی بالاتر می‌باشد. در شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر نشان داده شده است.

شکل(2-2) طرز کار توربوشارژر به صورت شماتیک
2-3- مقایسه موتورهای توربوشارژ شده و تنفس طبیعی
یکی از اهدافی که در استفاده از توربوشارژر مطرح است، جایگزین کردن یک موتور تنفس طبیعی با یک موتور توربوشارژ شده کوچکتر که مصرف سوخت آن کمتر است می‌باشد. در این جایگزینی نباید تغییرات منفی در مشخصات رفتاری موتور نظیر قدرت، گشتاور و آلاینده‌ها بوجود آید. همچنین با توجه به اینکه موتور توربوشارژ شده گرانتر از موتور تنفس طبیعی است باید کاهش مصرف سوخت موتور توربوشارژ شده این اختلاف قیمت را جبران ‌نماید. جدول(2-1) به مقایسه موتور توربوشارژ شده و تنفس طبیعی در حالتی که حداکثر گشتاور و قدرت یکسانی دارد می‌پردازد.
جدول(2-1) مقایسه یک موتور توربوشارژری و تنفس طبیعی با گشتاور و توان حداکثر برابر
مزایا معایب
کاهش تلفات سوخت کاهش نسبت تراکم
کاهش افت اصطکاکی عمل بد دریچه کنترل سوخت در حالت گذرا
کاهش افت پمپاژ در دورهای پائین افزایش تنشهای حرارتی
کاهش آلودگیهای HC,CO افزایش آلودگیهای ناشی از NOx *
کاهش وزن موتور ( افزایش توان ویژه) نیاز به روانکاری پیشرفته‌
کاهش اثرات تغییر شرایط محیط بر موتور افزایش هزینه تولید
کاهش ابعاد موتور نیاز به خنک کن میانی
افزایش بازده گشتاور نامناسب در دور پائین **
* با اضافه نمودن خنک کن میانی NOX از حالت تنفس طبیعی هم کمتر می‌گردد.
** با توربوشارژر هندسه متغیر این اشکال رفع می‌شود.
2-5- انواع سیستمهای توربوشارژری
براساس نحوه ورود گازهای اگزوز به توربین توربوشارژر و ثبات یا نوسان جریان ورودی به توربین از دو نوع سیستم مختلف توربوشارژ کردن استفاده می‌شود.
2-5-1- توربوشارژر فشار ثابت
یک موتور رفت و برگشتی ذاتاً یک وسیله با جریان غیردائم است. گازهای خروجی از سیلندر یک جریان غیر‌دائمی را به وجود می‌آورد. از طرفی، توربو ماشینها برای جریان دائمی طراحی و ساخته می‌شوند. البته توربینها می‌توانند تحت شرایط غیر دائم کار کنند ولی بازده شان در مقایسه با شرایط دائم بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. بنابراین ترکیب موتور و توربین عمل مشکلی خواهد بود. بوچی (مبتکر سوئیسی توربوشارژر) از یک محفظه با حجم مناسب برای کنترل و ثابت کردن جریان گاز غیردائمی خروجی از سیلندر استفاده کرد. بنابراین بدین گونه جریان ورودی به توربین یکنواخت و فشار ثابت گردید. حجم منیفولد دود یا حجم مخزن، وابسته به فرکانس ضربان گازهای خروجی است که به تناوب از هر سیلندر خارج می‌شود. شدت ضربان گازهای خروجی تابعی از بار موتور، زمانبندی سوپاپ دود، سطح ورودی توربین و حجم منیفولد است. معمولا نسبت حجم منیفولد دود به حجم موتور برای تبدیل نوسانات به فشار ثابت بزرگتر از یک می‌باشد. این نسبت برای موتورهای با تعداد سیلندر بیشتر، در مقایسه با موتورها با تعداد سیلندر کمتر، کوچکتر است. قاعده خاصی را نمی‌توان برای این امر بیان نمود ولی بازه آن ما بین 4/1 تا 6 در تغییر است. یکی از مشکلات ایجاد فشار ثابت در ورودی توربین این است که در صورت تغییر ناگهانی بار یا دور موتور، فشار در مخزن بصورت آرام تغییر کرده و بنابراین انرژی گازهای ورودی به توربین بتدریج زیاد می‌شود که این امر باعث ایجاد تأخیر در پاسخ موتور است. بنابراین اگر تغییر سریع دور یا بار موتور مورد نظر باشد، سیستم فشار ثابت مناسب نخواهد بود. شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور را نشان می‌دهد.

شکل (2-4) نحوه ارتباط توربوشارژ فشار ثابت با موتور به صورت طرحواره
حجم بزرگ چندراهه ورودی ما را از ثابت ماندن فشار در ورودی توربوشارژ مطمئن می سازد .برای دستیابی به نسبت فشارهای بالاتر از یک، توربوشارژ باید دارای راندمان بالای 45 درصد باشد،پس با داشتن یک توربوشارژر با راندمان بالای 45 درصد فشار ورودی از فشار خروجی بیشتر می‌شود. بنابراین هنگامی که سوپاپ های ورودی و خروجی با هم باز باشند(قیچی سوپاپ ها در زمان تخلیه) مقداری هوای تازه وارد سیلندر می‌شود که باعث تخلیه کامل گازهای سوخته از داخل سیلندر خواهد شد.
2-5-2- توربوشارژینگ با سیستم ضربانی
نقطه ضعف سیستم فشار ثابت این است که بطور کامل از انرژی جنبشی گازهائی خروجی استفاده نمی‌کند. زمانی که گاز با فشار زیاد از سطح نیمه باز سوپاپ تخلیه عبور می‌کند سرعتش به طور محسوس افزایش می‌یابد ولی این گازهای سرعت بالا بطور ناگهانی وارد محفظه تخلیه با حجم وسیع می‌شود و با گاز سرعت پائین برخورد می‌کند و بدلیل پدیده مخلوط شدن اتلافات اصطکاکی بوجود می‌آید و تمام انرژی جنبشی گاز به انرژی فشاری تبدیل نمی‌شود و بخشی از آن به هدر می‌رود. با استفاده از توربوشارژینگ ضربانی می‌توان بخش عمده ای از انرژی گازهای خروجی را به توربین منتقل نمود. برای رسیدن به این منظور بهتر است تلفات ناشی از خفانش جریان در هنگام عبور از سوپاپ خروجی را کاهش داد. بنابراین هر چقدر سوپاپ دود سریعتر باز شود، این تلفات کمتر می‌شود. تلفات ناشی از خفانش وقتی اتفاق می‌افتد که مدت زمان اندکی از باز شدن سوپاپ دود گذشته و سطح جریان گذرنده از اطراف سوپاپ بسیار کم است. در این حالت سرعت سیال به سرعت صوت می‌رسد و هنگامی که سیال به پورت خروجی می‌رسد ناگهان بدلیل افزایش سطح مقطع منبسط می‌شود که این امر باعث تلفات خفانشی می‌گردد. بنابراین هر چه سوپاپ خروجی سریعتر باز شود و همچنین هرچه نسبت سطح گلوگاه سوپاپ به سطح پورت خروجی به مقدار ۱ میل کند تلفات خفانشی کمتر می‌شود.
از مزیت های پرخورانی ضربانی این است که می‌توان با طراحی مناسب، فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی به نحو مطلوبی کمتر از فشار سیلندر و فشار منیفولد ورودی(در لحظه ای که سوپاپ ورودی و خروجی هر دو باز است) رساند. اما در پرخورانی با فشار ثابت فشار در مخزن و رانرهای خروجی برابر است. بنابراین نمی‌توان فشار را در پائین دست سوپاپ خروجی کاهش داد. در طراحی منیفولد خروجی یک موتور پرخورانی شده طول رانرهای خروجی را باید نسبتًا طولانی در نظر گرفت تا امواج فشاری منعکس شده از توربین به سوپاپ خروجی در حالیکه باز می‌باشد نرسد. ولی معمولا طول رانرهای خروجی را کوتاه تر در نظر می‌گیرند تا انرژی گازهای خروجی از سیلندر کاهش نیابد در عوض همان طور که بیان شد زمان باز ماندن سوپاپ خروجی را کاهش می‌دهند تا امواج فشاری منعکس شده به داخل سیلندر راه نیابند[24]. همچنین انتخاب منیفولد خروجی کوچک باعث خواهد شد که فشار در منیفولد خروجی در لحظه ای که سوپاپ دود باز می‌شود سریعتر افزایش یابد و در نتیجه سرعت پاسخ نیز بیشتر شود.
یکی از بزرگترین مزایای پرخورانی ضربانی نسبت به پرخورانی فشار ثابت این است که می‌توان انرژی بیشتری از گازهای خروجی را که قابلیت تبدیل شدن به کار مفید را دارند در اختیار توربین قرار داد. اما نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که ناپایا بودن جریان باعث می‌شود که توربین در ناحیه ای با بازده پائین کار کند. زیرا در پورخورانی ضربانی وقتی که فشار گازهای خروجی بالا می‌رود، این امر باعث شتاب گرفتن پره های توربین می‌شود و وقتی که فشار پائین می‌آید حرکت پره های توربین نیز کند می‌شود. بنابراین مقداری از انرژی همیشه صرف شتاب دهی به پره های توربین می‌شود و این امر باعث کاهش کارایی توربین می‌گردد[24].
اگر در این سیستم از توربین با کارایی بالا استفاده نشود تمام انرژی هایی که از سیستم فشار ثابت، بیشتر جذب می‌شود از بین می‌رود و این سیستم دیگر مزیتی نسبت به سیستم فشار ثابت ندارد چون راندمان توربین مستقیما بر راندمان موتور تاثیر می‌گذارد[17]. برای بالا بردن راندمان توربین باید فواصل بین گازرسانی به توربین را کاهش داد و در ضمن از قیچی سوپاپ ها استفاده کنیم، با این حال راندمان توربین از حالتی که جریان پایا داریم کمتر است. اگر دو سیلندر به ورودی توربین متصل باشد، بازدهی توربین به دلیل فاصله هوایی ایجاد شده، کاهش می‌یابد. به همین دلیل سیستم ضربه ای هنگامی مناسب می‌باشد که تعداد سیلندرهای ورودی به توربین حداقل سه عدد باشند.
2-6- سیستم‌های تک توربوشارژری
رفتار یک سیستم تک توربوشارژری همگام با پیشرفت توربوشارژرها بهبود می‌یابد که این توسعه برای کامل شدن نیازمند زمان است. توربین های در دسترس با یا بدون دریچه فرار، بازده کافی برای تأمین توان مورد نیاز کمپرسور جهت تولید فشار کافی در سرعت‌های پائین و در حالت گذرا را ندارند. علاوه براین، تغییرات دبی در یک کمپرسور جریان شعاعی یک پارامتر محدودکننده دیگر است[25]. محدوده جریان با افزایش نسبت فشار کاهش می‌یابد، اگر توان کافی برای رساندن کمپرسور به حالت خفگی یا سرج در جریان موجود باشد، این موضوع می‌تواند مشکل ایجاد کند. همچنین در نسبت فشارهای بالاتر دستیابی به محدوده قابل استفاده بسیار سخت تر می‌شود.
در سال 1990، محققان پورشه طی یک بررسی موتور مدل 944 چهار سیلندر پورشه را با چهار سیستم مختلف توربو را مورد آزمایش قرار دادند. آنها سیستم استاندارد را که حجم منیفولد زیادی داشت به یک سیستم کوچکتر شده تغییر دادند و به این منیفولد کوچک شده یک توربوشارژر تک ورودی با دریچه فرار، یک توربوشارژر با ورودی دوگانه (ولی با یک دریچه فرار) و یک توربوشارژر با هندسه متغیر(VTG) متصل کردند و برای به دست آوردن رفتار حالت گذرا آزمایشاتی انجام دادند. شبیه‌سازی وسیله نقلیه را روی دنده دوم و با 2000rpm و فشار متوسط مؤثر ترمزی bar2 آغاز کردند و حالت گذرا را با تغییر دور تا فشار متوسط مؤثر ترمزی bar15 مورد بررسی قرار دادند[33].
با توربورشارژرVTG عکس‌العمل توربوشارژر حدود60% بهبودی داشت برای ورودی دوگانه 24% و برای حالت تک ورودی با کاهش اندازه منیفولد این بهبودی حدود 22% بود. بهبود زیاد در حالت هندسه متغیر، نه فقط به خاطر تغییرات رفتار جریان در توربین بلکه به خاطر کاهش شصت درصدی در اینرسی روتور بود. قابلیت تغییر هندسه در این توربوشارژر اجازه انتخاب پره توربینی که 18% کوچکتر باشد، را می‌دهد. در نهایت آنها به این نتیجه رسیدند که بازده کلی یک توربوشارژر با ممان اینرسی روتور آن متناسب است. در این زمینه مقالات متعددی به چاپ رسیده است. مؤثرترین تکنولوژی موجود (VGT) است که به خاطر دمای بالای موتورهای احتراق جرقه‌ای نیازمند طراحی پیشرفته است[25]. تکنولوژی دیگر که در آن عرض نازل توربین تغییر می‌کند (VNT) است[26].
ویلاند تحقیقاتی را برای کاهش زمان عکس‌العمل توربورشارژر انجام داد. با استفاده از پره توربین از جنس SiN (نیترید سیلیسم) اینرسی (فقط اینرسی پره توربین) 64% کاهش داشت و با جنسTiAl این کاهش به 50% نسبت به حالت استاندارد رسید[27]. راه‌حل دیگر برای بهبود عکس‌العمل توربوشارژر کاهش اصطکاک در یاتاقان‌هاست. ویلاند نشان داد که در سرعت‌های پائین توانی که صرف مقابله با اصطکاک می‌شود یک سوم کل توان توربین است. با تغییر در بلبرینگ، توان لازم برای مقابله با اصطکاک به 50% کاهش می‌یابد. در شرایطی که توان توربین در سرعت‌های پائین و به تبع آن در دبی جرمی پائین، بالا می‌رود کمپرسور می‌تواند به حالت سرج برسد. برای جلوگیری از سرج، کمپرسور باید محدوده وسیع‌تری را تحت پوشش قرار دهد[28].
2-7- سیستم‌های ترتیبی
نوع دیگر مورد استفاده در توربوشارژرهای با هندسه متغیر استفاده از سیستم‌های ترتیبی است. به این صورت که به جای تغییر در هندسه یک توربوشارژر تعداد توربوشارژرها افزایش یابد. دلیل استفاده از این سیستم ازدیاد دامنه تغییرات جریان برای تأمین فشار مورد نیاز است.
محققین ولوو آزمایش‌هایی در زمینه سیستم‌های ترتیبی در سال 1991 انجام دادند]39[. آنها روی موتور 6 سیلندر با فشار نهایی کمی کمتر از 2barتحقیقات خود را انجام دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که اینرسی یک سیستم توربوشارژری موازی30% پائین‌تر از یک سیستم تک توربوشارژری با همان مشخصات نهایی است و به علت کمی اینرسی، عکس‌العمل بهتری نشان خواهد داد. آنها به این نتیجه رسیدند که سیستم ترتیبی سری مزایای بیشتری از سیستم ترتیبی موازی دارد. دلیل آن این است که رسیدن به حالت گذرای یکنواخت برای حالت موازی مشکل‌تر است. سیستم سری محدوده جریان را باریکتر می‌سازد، زیرا جریان باید از دو کمپرسور عبور کند بنابراین اجازه رسیدن به فشارهای بالاتر را می‌دهد. این سیستم شامل یک توربوشارژر فشار پائین و یک توربوشارژر فشار بالا است که توربین فشار پائین می‌تواند با یک شیر پروانه‌ای از مسیر خارج شود. شیر دیگر می‌تواند کمپرسور را از حالت سری به موازی تبدیل کند. کارخانه‌های پورشه و مزدا از این سیستم‌های برای موتورهای خود استفاده می‌کنند. در این سیستم از توربوشارژرهای یکسان استفاده می‌شود.
2-8- سیستم‌های دومرحله‌ای
معمولاً این سیستم برای فشارهای بالای 2bar است. محققین کارخانه kkk سیستم دو مرحله‌ای را برای فشار مطلق 3bar برای موتور دیزل در نظر گرفتند. این سیستم شامل دو توربوشارژر با سایزهای متفاوت به همراه دریچه فرار در قسمت فشار بالا و نیز خنک‌کن میانی برای هر مرحله است. این سیستم برای یک موتور 12 لیتری دیزلی استفاده شد. مقدار افزایش در قسمت فشار بالا و پائین نسبت به حالت استاندارد تک توربوشارژری 85% و 112% گردید[30].
فصل سوم
تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
3-1- استفاده از توربوشارژر برای موتور گازسوز
معمولا موتورهایی که تبدیل به گازسوز می‌شوند از ابتدا برای سوخت بنزین و بدون استفاده از پرخوران طراحی شده اند لذا در هنگام استفاده از پرخوران برای این موتورها می‌بایست به این نکته توجه نمود که فشارهای دینامیکی، ارتعاشات و نیروهای وارده به قطعات موتور نباید بیش از آنچه که در موتور معمولی است باشد. بنابراین دراستفاده از پرخوران برای یک موتور گازسوز باید سعی نمود تا با در نظر گرفتن محدودیت های تعیین شده برای موتور بنزینی بدون پرخوران نسبت به بهبود عملکرد آن اقدام گردد. اضافه کردن توان در این موتورها می‌بایست با بررسی بیشتر قطعات و مشخص نمودن حد دوام آن ها صورت پذیرد.
3-2- تغییرات موتور برای تجهیز به توربوشارژر
از آنجاییکه هدف از نصب توربوشارژر علاوه بر افزایش قدرت، افزایش بازده موتور و نیز احتمالا کاهش آلودگی می‌باشد، بر روی قسمت های دیگر موتور نیز لازم است تغییراتی انجام گیرد. برای مثال سیستم پاشش سوخت باید طوری تغییر کند که میزان افزایش سوخت مورد نیاز موتور را با توجه به جرم افزوده هوا تامین کند. همینطور در منیفولدها باید تغییراتی داده شود تا هم امکان نصب توربوشارژر میسر گردد و هم امکان حداکثر استفاده از انرژی ضربه ای موجود در منیفولد میسر گردد. از سوی دیگر با توجه به ایجاد اختلاف فشار مثبت فشار بین منیفولد ورودی و خروجی احتیاج به تغییر زمان بندی سوپاپ ها و همچنین میزان همپوشانی سوپاپ ها می‌باشد. علاوه بر این تغییر زمانبندی سیستم جرقه احتمال دارد موجب بهبود عملکرد موتور گردد که تغییرات احتمالی آن از طریق انجام مدلسازی و نیز از طریق انجام آزمون قابل بررسی می‌باشد.
مباحثی که در زمینه تغییرات لازم موتور ذکر گردید مطالب مربوطه به تصحیح عملکرد موتور از لحاظ بازده و توان خروجی می‌باشد. لازم به ذکر است که تغییراتی نیز در مورد سیستم های جانبی موتور لازم الاجرا هستند. از قبیل تغییر در سیستم های خنک کاری و روغن کاری. با توجه به افزوده شدن دما و فشار در موتور توربوشارژری میزان حرارت تحویلی به بدنه موتور نیز افزایش می‌یابد. اگر سیستم خنک کاری جوابگوی این مازاد حرارت نباشد دمای سطح داخلی موتور افزایش می‌یابد، که این امر موجب اختلال در کیفیت روغن و کاهش گرانروی و عملکرد نامناسب آن می‌گردد. لذا عملکرد سیستم خنک کاری باید مورد بررسی قرار گیرد. در مورد سیستم روغن کاری نیز افزایش روغن مصرفی توربوشارژر برای روغن کاری یاتاقان ها موجب بازنگری بر روی سیستم روغنکاری می‌گردد که در صورت کافی نبودن ظرفیت سیستم پمپاژ روغن موتور باید تمهیداتی برای رفع این نقیصه به کار گرفته شود.
نوع دیگر از ملاحظات در نصب توربوشارژر بر روی موتورهای تنفس طبیعی تحلیل مقاومت بدنه موتور در برابر تنش های مکانیکی و حرارتی القا شده در اثر افزایش فشار و دما توسط توربوشارژر می‌باشد. بنابر ادعای واتسون[24] اگر میزان افزایش قدرت موتور تا حدود 50 درصد قدرت موتور تنفس طبیعی باشد موتور قابلیت تحمل تنش های ناشی از نصب توربوشارژر را خواهد داشت، ولی اگر افزایش قدرت خروجی مورد نظر بیش از این مقدار باشد، طراحی مجدد بعضی از قطعات موتور لازم می‌باشد.
3-3- کاهش مشکلات توربوشارژینگ
3-3-1- جلوگیری از تولید کوبش
در مرحله احتراق پس از جرقه زدن شمع شعله اولیه تشکیل می‌شود که به آن شعله جلویی گفته می‌شود. این شعله شروع به پیشروی در میان مخلوط نسوخته می‌کند و با گذشت زمان در مرحله احتراق حجم گازهای نسوخته کمتر و کمتر می‌شود و این موجب می‌گردد تا دمای مخلوط انتهایی افزایش یابد تا حدی که ممکن است مخلوط به دمای اشتعال برسد. یعنی قبل از رسیدن شعله جلویی مخلوط یا گازهای انتهایی خودبخود مشتعل می‌شوند. این اشتعال خودبخودی بسیار سریع و لحظه ای می‌باشد و موجب ایجاد موج های فشاری در داخل محفظه احتراق می‌شود. از این پدیده بنام پدیده ناک یا کوبش تعبیر می‌شود. کوبش موجب خرابی در سر سیلندر و پیستون و نیز باعث کاهش بازده و افزایش آلاینده هایی نظیر منوکسید کربن می‌شود.
3-3-1-1- روش های جلوگیری از تولید کوبش
کاهش نسبت تراکم. کاهش نسبت تراکم باعث کاهش فشار و دما در انتهای مرحله تراکم می‌شود و این کاهش احتمال خود اشتعالی را کمتر می‌کند. اکثر موتورهای اشتعال جرقه ای توربوشارژ شده در مقایسه با موتورهای تنفس طبیعی نسبت تراکم کمتری دارند. به عنوان مثال طبق شکل(3-1) برای یک موتور تنفس طبیعی با نسبت تراکم 9 اگر بخواهیم فشار تقویتی را 0.5 بار اضافه کنیم باید برای جلوگیری از کوبش، نسبت تراکم را به 6.7 برسانیم[24].

شکل(3-1) رابطه بین نسبت تراکم و افزایش فشار ورودی موتور [24]
البته کاهش نسبت تراکم باعث کاهش راندمان موتور می‌شود ولی این کاهش در راندمان در مقایسه با افزایش بر اثر توربوشارژ کردن چندان زیاد نیست. کاهش در نسبت تراکم باید تا حدامکان کم باشد تا هم راندمان کاهش زیادی نداشته باشد و هم از محدوده خود اشتعالی فاصله گرفته شود. به طور کلی نسبت افزایش فشار در توربوشارژر مناسب با افزایش قدرت مورد نظر انجام می‌گیرد و سپس میزان نسبت تراکم برای حصول حاشیه امنیتی نسبت به تولید کوبش به طور تجربی بدست می‌آید. متاسفانه روش کلی برای انتخاب نسبت تراکم قابل ارائه نمی‌باشد زیرا شروع کوبش شدیدا وابسته به اندازه های موتور، کنترل فشار توربوشارژر و خواص سوخت می‌باشد. اگر روشی برای تعیین میزان کاهش نسبت تراکم موجود نباشد، کاهش دو واحدی نسبت تراکم میانگین مناسبی می‌باشد[24]. مهمترین نکته برای جلوگیری از کوبش پائین نگه داشتن دمای هوای ورودی به موتور می‌باشد.
ریتارد کردن جرقه. به تاخیر انداختن جرقه باعث کاهش دمای احتراق می‌شود. ریتارد جرقه باعث کاهش دما و فشار مخلوط هوا و سوختی که در دورترین فاصله به شعله واقع هستند شده و این امر باعث کاهش احتمال بروز کوبش یا خودسوزی و یا شدت آن می‌شود. ریتاردکردن زاویه جرقه با توجه به اینکه باعث کاهش فشار در مرحله انبساط می‌شود در نتیجه موجب کاهش بازده موتور نیز می‌شود ولی تاثیر آن کمتر از کاهش بازده موتور به دلیل کاهش نسبت تراکم است .[24]البته به تاخیر انداختن زاویه جرقه در حالت بار کامل کاربرد دارد و در حالت بار جزئی نیاز به ریتاردکردن زاویه جرقه نداریم و زاویه جرقه در همان حالت آوانس باقی می ماند. زیرا درحالت بار جزئی مسئله ناک نداریم و به تاخیر انداختن زاویه جرقه که منجر به کاهش بازده می‌شود مناسب نیست. به دلیل اینکه تغییر نسبت تراکم موتور جهت کنترل ناک و فشار و دمای بیشینه سیلندر بسیار سخت و مقرون به صرفه نمی‌باشد، معمولا نسبت تراکم موتور را تا حد ممکن بالا در نظر می‌گیرند و یا ثابت نگه می دارند و با استفاده از تنظیم زاویه جرقه کوبش و دما و فشار بیشینه داخل سیلندر را کنترل می‌کنند. تغییر و تنظیم زمانبندی جرقه به مراتب راحتتر و آسانتر از تغییر نسبت تراکم در موتور می‌باشد. از نکات منفی به تاخیر انداختن زاویه جرقه به هدر رفتن مقدار بیشتری از انرژی در مرحله تخلیه و افزایش دمای گازهای خروجی است که ممکن است به توربین آسیب برساند و این یک مشکل جدی برای سازندگان توربوشارژر می‌باشد.
کاهش حداکثر فاصله مخلوط سوخت و هوا از شمع. برای دستیابی به این امر محفظه احتراق باید طوری طراحی گردد که دورترین نقطه از شمع در فاصله قابل قبولی باشد و جبهه احتراق به سرعت و قبل از جذب حرارت اضافی به این منطقه برسد.
خنک کاری هوای ورودی به موتور. افزایش دمای هوا در کمپرسور و تأثیر آن بر ضربه را می‌توان با استفاده از خنک میانی کاهش داد. با استفاده از خنک کن میانی و کاهش دمای محیط امکان کوبش کاهش می‌یابد و نیاز به تاخیر در زمان جرقه کم می‌شود و می‌توانیم از نسبت تراکم بالاتری نسبت به موتورهای پرخورانی شده بدون خنک کن میانی استفاده کنیم. همچنین خنک کن میانی باعث افزایش بازده حجمی می‌شود زیرا با کاهش دمای هوای ورودی چگالی هوا نیز افزایش می‌یابد و باعث می‌شود که جرم بیشتری از مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر شود. نقاط ضعف این سیستم افزایش حجم منیفولد ورودی و به تبع آن کاهش سرعت پاسخگویی موتور و قیمت بالای آن می‌باشد. چون این خنک‌کن بین کمپرسور و موتور قرار دارد به آن خنک میانی نیز می‌گویند. عبور از خنک‌کن میانی مقداری افت فشار را برای گاز در پی دارد، ولی به علت افزایش چگالی گاز پس از خنک کاری و افزایش قدرت به دنبال آن، این افت فشار قابل اغماض است.
در موتور دارای خنک‌کن میانی، به دلیل افزایش جریان هوا، نسبت سوخت به هوا ضعیف می‌شود و در پی آن دمای ورودی به توربین کم می‌شود در نتیجه انرژی قابل دستیابی در توربین کم می‌شود و در نهایت فشار در سیلندر کاهش پیدا می‌کند ولی اثر افزایش چگالی از اثر کاهش فشار بیشتر است. استفاده از خنک‌کن میانی باعث افزایش قدرت خروجی موتور بدون افزایش یافتن بار حرارتی خواهد شد، مصرف سوخت کم شده و به دلیل مخلوط سوخت به هوای ضعیف، تولید دود نیز کم خواهد شد. مزایای استفاده از خنک‌کن میانی بر همگان روشن است ولی شرایط استفاده از آن بستگی به وجود مایع خنک‌کننده با دمای مناسب و ملاحظات اقتصادی دارد.
با توجه به اینکه سازندگان موتور برای موتورهایشان نسبت به کوبش حاشیه امنیتی در نظر می‌گیرند، می‌توان موتورها را به ملایمت توربوشارژ کرد بدون اینکه کوبش اتفاق بیفتد.
3-3-2- کنترل افزایش فشار در توربوشارژر
کنترل فشار در توربوشارژر شامل کنترل افزایش فشار در کمپرسور می‌باشد. این کنترل می‌تواند به چند طریق صورت پذیرد. اول آنکه در انتخاب توربوشارژر تا حد امکان باید تلاش شود که توربوشارژری که برای موتور انتخاب می‌شود افزایش فشار هوای ورودی موردنظر را تامین نماید. یعنی توان موتور با انتخاب توربوشارژر مناسب تا حد موردنظر افزایش یابد و کمتر و یا بیش از توان موردنظر نشود. اگر از توربین بزرگتر استفاده شود مقدار افزایش فشار هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین کمتر از حد موردنظر و در دورهای بالا بیش از حد موردنظر خواهد بود. همچنین موجب کاهش در سرعت پاسخ توربوشارژر می‌شود. اگر توربین یک توربوشارژر کوچکتر از حد ایده آل انتخاب شود آنگاه افزایش فشار ورودی هوا و درنهایت توان موتور در دورهای پائین بیش از حد مجاز و در دورهای بالا کمتر از حد مجاز خواهد بود. بنابراین انتخاب توربوشارژر مناسب برای موتور جهت دسترسی به توان و افزایش فشار هوای ورودی خود عاملی مهم در کنترل افزایش فشار خواهد بود.
یک روش دیگر برای کنترل فشار هوای ورودی به داخل موتور استفاده از یک شیر در منیفولد ورودی می‌باشد ولی این روش مناسب نیست زیرا این عمل باعث می‌شود که مقداری از کار تولیدی در توربین به هدر رود و همچنین باعث افزایش تلفات پمپاژ می‌شود. روش دیگری که اکثرا برای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده می‌شود، استفاده از یک شیر در ورودی توربین می‌باشد، که به دریچه کنترل توربین معروف است. اگر فشار گازهای حاصل از احتراق از حد مجاز بالا رود این شیر باز شده و مقداری از گازهای ورودی به توربین را منحرف کرده و به خروجی توربین منتقل می‌کند. در حقیقت این عمل دور زدن گازهای ورودی به توربین است.
با بازشدن این شیر از ورود قسمتی از گازهای حاصل از احتراق به داخل توربین جلوگیری می‌شود. در نتیجه انرژی وارد شده به توربین کاهش می‌یابد و موجب می‌گردد که کار تولیدی توربین و کار منتقل شده به کمپرسور کاهش یابد. پس در نتیجه افزایش فشار در کمپرسور نیز کاهش یافته و به این ترتیب فشار هوای ورودی به داخل موتور کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار و دمای بیشینه سیلندر کنترل می‌شود.
یکی دیگر از راههای کنترل افزایش فشار در توربوشارژر استفاده از یک نازل در ورودی توربین می‌باشد که سطح مقطع آن متغیر است. در دورهای پائین سطح مقطع نازل کوچکتر و در دورهای بالا سطح مقطع آن بزرگتر می‌شود تا انرژی مورد نیاز برای توربین مهیا شود. با کنترل انرژی ورودی به داخل توربین با استفاده از این روش می‌توان افزایش فشار در توربوشارژر را کنترل نمود. روش دیگر برای کنترل توربوشارژر استفاده از یک نازل در خروجی توربین است و این نازل باعث افزایش افت فشار در حالتی که دبی گازهای ورودی به توربین بیشتر از حد مجاز باشد می‌شود. بنابراین این عمل باعث می‌شود که در توربین فشار پائین دست ایجاد شود و نسبت فشار در توربین کاهش یابد.
3-3-3- زمانبندی سوپاپ های ورودی و خروجی
در دورهای پائین و به بخصوص در دورهای کمتر از 2000rpm انرژی گازهای خروجی کم است و بنابراین برای افزایش توان در این دورها توسط توربوشارژر با مشکل مواجه می شویم. چون در دورهای بالا مشکل افزایش توان نداریم طراحی زمانبندی و منحنی لیفت سوپاپ ها به گونه ای است که بهترین بازده حجمی را در دورهای پائین و بخصوص کمتر از2000rpm داشته باشیم.
به طور کلی کمترکردن مقدار برخاستگی سوپاپ ورودی و کاهش دادن مدت زمان باز بودن آن در دورهای کمتر از 2400rpm نسبت به دورهای بالا، موجب افزایش بازده حجمی می‌شود. تغییر دیگری نیز در طراحی سوپاپ موتور پرخورانی شده انجام می‌پذیرد و آن کاهش زمانی است که هر ۲ سوپاپ ورودی و خروجی باز هستند. زیرا وقتی در پورت ورودی به دلیل افزایش نسبت فشاری که در کمپرسور صورت می‌گیرد فشار بالا می‌رود، مقداری از مخلوط به راهگاه خروجی راه می‌یابد. در این صورت با افزایش آلاینده ها نظیر هیدروکربن های نسوخته و همچنین کاهش بازده موتور روبرو می شویم. یا ممکن است بدلیل ایجاد فشار پائین دست توسط توربین مقداری از گازهای حاصل از احتراق به داخل راهگاه ورودی وارد شود که این امر نیز خطرناک است زیرا دمای گازهای حاصل از احتراق بالا می‌باشد و ممکن است که مخلوط هوا و سوخت داخل منیفولد مشتعل شود.[24]
3-4- تأثیر توربوشارژر بر آلودگی خروجی
موتور توربوشارژ شده به علت اینکه مقدار و دمای هوای ورودی آن نسبت به موتور تنفس طبیعی بیشتر است آلودگی مونواکسیدکربن و هیدروکربن نسوخته آن کمتر می‌شود. اما به علت دمای بالا و افزایش فشار متوسط ترمزی میزان اکسیدهای نیتروژن آن افزایش می‌یابد[31]. البته باید تأثیر خنک‌کن میانی بر آلودگی اکسیدهای نیتروژن مورد توجه قرار گیرد.
فصل چهارم
انطباق توربوشارژر
4-1- انطباق موتور و توربوشارژر
هدف کلی از انطباق توربوشارژر به موتور احتراق داخلی این است که توربوشارژری با حداکثر پارامترهای مناسب را به یک موتور به منظور بدست آوردن بهترین کارائی وصل کنیم. از طرفی، توربوشارژر در تمام محدوده کارکرد موتور در راندمان بالا کار نخواهد کرد. در اصل توربوشارژر را به طور دقیق می‌توان فقط برای یک نقطه کارکرد موتور طراحی کرد. اگر قرار است که موتور در محدوده وسیعی از بار و سرعت کار کند، آنگاه یک محدوده قابل قبول برای اتصال توربوشارژر باید رعایت شود[24]. در انتخاب توربوشارژر انتخاب مناسب کمپرسور اهمیت بیشتری نسبت به توربین دارد زیرا توربین ها قادرند در محدوده وسیع تری نسبت به کمپرسورها کار کنند[34].

4-2- تعیین پارامترهای توربین و کمپرسور
رفتار یک توربوشارژر را می‌توان بصورت پارامترهایی که شامل متغیرهای مربوط به توربوشارژر می‌باشد نشان داد[32].
با ترسیمP02P01 در مقابل پارامتر دبی جرمیmT01P01 به اندازه مقادیر NT01 (خطوط سرعت ثابت) مشخصات کامل نقشه کمپرسور بدست می‌آید که به آن نقشه می گویند که نمونه ای از آن در شکل(4-1) نشان داده شده است[24].

شکل (4-1)نقشه عملکرد یک کمپرسور] 15 [
به همین ترتیب نقشه توربین جریان محوری بصورت شکل(4-2) نمایش داده می‌شود.

user8320

1-5- انواع پیل سوختی7
1-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون7
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم9
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی10
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت10
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم11
1-7-2- 2-پروپانول15
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم15
1-7-3- پروپیلنگلیکول16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیلهای سوختی17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف18
1-8-1-1- کربن بلک19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :
احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل میکند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده میشود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی میشود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلی
154305201930انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی

پیل سوختی
1186180120650انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی

شکل 1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا می‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار میکنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب می‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید میشود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته میشود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث میشود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [2].
1-3- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پیل سوختی اولیه ساخته شده [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
1-4-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [3].
همان‌طوریکه در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.

شکل 1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [3].
1-5- انواع پیل سوختی
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقهبندی می‌شوند [4]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از 80 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH+ و یا OH- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی بهترتیب از طریق یون‌ها انتقال می‌یابد.
1-5-1- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گرانقیمت احتیاج داشتند و بهدلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت بهکار برده می‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز بههمین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه 1960 توسط ویلیام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال 1966 پلیمر نفیون جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلیاستیرن سولفامات میباشد [5-6]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینههای فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههای آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بارگذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیلهای سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستمهای پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر بهدلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیلهای شخصی افق‌های امیدبخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است بهطوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترودهای متخلخل قرار دارند. گازهای واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌شود و لایه کاتالیزوروجود دارند، می‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترودها، کاتالیزور‌ها و غشای بین آنها را MEA می‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. بهدلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را بهعهده دارند همچنین جدا کننده کانال‌های گازی در سل‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می‌باشند، بهصفحات دو قطبی معروف هستند [8-9].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود 80 درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راهاندازی سریع و افزایش طول عمر پیل میشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری میشود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌توان بهطور خلاصه بهاینصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان بهصورت کلی زیر نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را بهعنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

بهجهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مدیریت آب نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میانعبور متانول بهخاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط میشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش میدهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی از حبابهای دیاکسیدکربن (CO2) که در سطح آند تولید میشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکولهای متانول به لایه کاتالیزور را محدود میکند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسانتر به داخل زمین نفوذ میکند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب بهراحتی میتواند صورت گیرد [3].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی و نفوذ است.
میانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر میشود [14] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم میکند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر میدهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش میدهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میانعبور هیدروژن در سیستم هایH2PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از 8/0 ولتاست.
نشت بی مورد: میانعبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می شود.
بهمنظور جلوگیری ازمیانعبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می گیرد:
استفاده از محلولهای رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میانعبور را کاهش می دهد. بههر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک های نگه داری بزرگ سوخت میشود و پمپ آب بیشتری را میطلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیمتر: الکترولیت ضخیمتر میتواند میانعبور را محدود کند و همینطور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش میدهد.
یک مانع نفوذ روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می شود بهطوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میانعبور را کاهش میدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌باشد که کربنی که حامل گروه –OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر
1و2- پروپاندیال سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی
1-8-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرآیندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر می‌رسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل میکنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین میشود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب میشود.
1-8-1- بهبود کاتالیزور پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشیدن ظرفیت انتقال پروتون در یک واکنش الکتروکاتالیزوری، در طول تهیه جوهر کاتالیزور، محلول نفیون به جوهر کاتالیزور اضافه میشود. مقدار مناسب نفیون در این جوهر در حدود 10% تا 30% است. اضافه کردن نفیون میتواند ظرفیت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولی این روش ناخواسته تعداد زیادی از سایتهای فعال کاتالیزور را میپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفیدی جهت بهبود بهره‌برداری از کاتالیزورهای فلزی گرانقیمت نظیر پلاتین است. این روش نه تنها ظرفیت انتقال پروتون را افزایش میدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش میدهد که میتواند هزینهی پیل سوختی را کاهش دهد [17].
برای دستیابی به پراکندگی خوب، بهرهبرداری بالا و نانوذرات فلزی پایدار، استراتژیهای بستر کاتالیزور مورد ارزیابی قرار گرفتند. در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی بدون بستر، کاتالیزورهای بستر شده پایداری و فعالیت بالایی را از خود نشان میدهند. در بیشتر موارد ذرات کربن بهدلیل پایداری نسبی در دو محیط اسیدی و بازی، هدایت الکتریکی خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهای کاتالیزور استفاده می‌شوند. ماده کربن تأثیر بهسزایی بر روی خصوصیات کاتالیزورهای فلزی نجیب بستر شده دارد. این تأثیرات عبارتند از:
1-اندازه ذرات فلزی
2-مورفولوژی
3-توزیع اندازه ذرات
4-درجه آلیاژ شدن
5-پایداری و پراکندگی ذرات.
از طرف دیگر بسترهای کربن همچنین میتوانند بر روی عملکرد کاتالیزورهای بستر شده در پیلهای سوختی نیز تأثیرگذار باشند. این تأثیرات عبارتند از:
1-انتقال جرم و هدایت الکترونی لایه کاتالیزور
2-داشتن سطح فعال الکتروشیمیایی
3-پایداری نانوذرات فلزی در طول کارکرد پیل سوختی.
از این رو بهینهسازی بسترهای کربنی در توسعه و پیشرفت پیلهای سوختی متانولی مستقیم خیلی مهم است. خصوصیات مناسب یک بستر کربن از قبیل مساحت سطح ویژه، تخلخل، مورفولوژی، هدایت الکترونی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره باید بهمنظور ساختن یک کاتالیزور فعال و با توجه به چگونگی بهکارگیری آن کاتالیزور انتخاب شده باشند. خصوصیات مواد بستر کربن تأثیر بهسزایی روی مراحل آماده سازی و عملکرد کاتالیزورهای بستر شده سنتزی دارد. سرچشمه تأثیرات فیزیکی و شیمیایی این بسترها هنوز بهطور کامل مشخص نیست [17].
1-8-1-1- کربنبلک
بستر مورد استفاده در این پایاننامه کربنبلک می‌باشد. لذا این پایه کاتالیزور را بیشتر تحت بررسی قرار می‌دهیم. کربنبلکها بهطور رایج بهعنوان بستر برای کاتالیزورهای آند پیل سوختی متانولی مستقیم به‌کار میروند. تعداد زیادی از کربنبلکها از قبیل استیلنبلک، ولکان XC-72، و غیره وجود دارند که همه اینها معمولاً بهوسیله حرارت دادن هیدروکربنها از قبیل گاز طبیعی یا قسمتهایی از نفت که در فرآیند پتروشیمی از نفت خام گرفته میشود، ساخته میشوند.
اصطلاح کربنبلک به خانواده مهم کربنهای صنعتی که در اصل در لاستیک و جوهرسیاه کاربرد دارند اطلاق می‌شود. کربن‌بلک‌ها از ذرات کروی با ابعاد کلوئیدی تشکیل شده‌اند و ساختمان شبهگرافیتی دارند بههمین دلایل با کربن‌های تجاری مانند کک‌ها و ذغال‌ها تفاوت دارند. کربن‌بلک بهصورت تجاری در اندازه ذرات 100 تا 4000 آنگستروم تولید می‌شود. کربن‌بلک‌ها از طریق احتراق ناقص یا تجزیه حرارتی هیدروکربن‌های مایع یا گازی تولید می‌شوند.
کربن‌بلک‌ها صرفنظر از روش تولید و اینکه چه ماده خامی در تولید آن‌ها بهکار رفته باشد دارای خواص مشابهی هستند. سطح ویژه کربنبلک‌ها بهراحتی از روش جذب قابل اندازه‌گیری است. این روش به وسیله برونرو ایمیت توسعه پیدا کرد. ذرات کربنبلک متخلخل هستند و قطر حفره این کربن‌ها بین 20 تا 30 آنگستروم تخمین زده شده است.
آرایش اتم‌های کربن در داخل ذرات کربن‌بلک مطالعه شده است. ساختار کریستالی کربن‌بلک‌ها را می‌توان بهصورت گرافیتی که بهطور نه چندان موازی روی هم انباشته شده است توصیف کرد. در گرافیت فضای بین لایه‌ای 7/6 آنگستروم است ولی درکربن‌بلک بزرگتر از آن است و در حدود 7 آنگستروم است.
یک خاصیت مهم فیزیکی دیگر کربنبلک ساختار زنجیری آنها است. بعضی از کربن‌بلک‌ها مانند دوده چراغ و استیلن‌بلک‌ها ساختار زنجیری کاملتری دارند و بعضی مانند بلک‌های حرارتی ساختارپذیری کمتری دارند [18]. کربن‌بلک‌ها از نظر هدایت الکتریکی نیز بسیار متغیرند. دوده کربنبلک و استیلنبلک از میان بلک‌ها هدایت بسیار بالایی دارند.
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیزورهای بر پایه پلاتین
مسلماً داشتن مکانیسم اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی پیش نیازی ضروری برای طراحی و توسعه غشاهای تجمع الکترود (MEAs) مؤثر برای DAFCs میباشد. اعتقاد بر این است که اکسایش الکلها از 2 مسیر کلی انجام میشود. یک مسیر شامل تشکیل حدواسط COads و مسیر دیگر جایی است که شکستن پیوند کربن ـ کربن اتفاق نمیافتد. در ادامه مکانیسم اکسیداسیون الکلهای مختلف برای کاتالیزورهای برپایه پلاتین مورد بررسی قرار خواهد گرفت [19].
1-9-1- سینتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC
واکنش اکسایش آندی متانول شامل مسیر پیچیده‌ی حاوی حدواسط‌های گوناگون است. طرح کلی واکنش‌های حدواسط‌های پیشنهادی برای اکسایش متانول در شکل زیر آورده شده است[9]:

شکل 1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی [9].
اکسایش متانول در یک مرحله انجام نمی‌شود. اعتقاد بر این است که اکسایش متانول از دو مسیر کلی انجام می‌شود. مسیری که بیشتر ترجیح داده می‌شود، مسیری است که در آن فرمالدئید (CH2O) تولید می‌‌شود که سرانجام منجر به تشکیل اسیدفرمیک (CH2O2) و دیاکسیدکربن می‌شود. مسیر غیرترجیهی، از جهتی پیش می‌رود که در آن فرمالدئید تولید می‌شود اما این‌بار این ترکیب تبدیل به مونواکسیدکربن می‌‌شود و در نهایت دی‌اکسیدکربن تولید میگردد. در هر دو مسیر ترجیهی و غیرترجیهی، اکسایش منجر به تولید 6 الکترون و 6 پروتون می‌شود. مسیری که در آن اکسایش CO وجود دارد، ترجیح داده نمی‌شود چرا که CO یک مسموم‌کننده رایج کاتالیست‌های پلاتین است. نوعاً یک کاتالیست متفاوت مانند پلاتین- روتنیم مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا که حذف اکسایشی CO در ولتاژهای پایین‌تر را میسر می‌سازد و لذا میزان مسموم سازی در مسیر غیرترجیهی را کاهش میدهد.
تحقیقات فراوانی با هدف کاهش مقدار فلزات گران قیمت در DMFC وکاهش میزان فعال‌سازی پلاریزاسیون آندی انجام گرفته است که به موفقیت‌های چندانی رسیده‌اند. حتی با گزینش کاتالیزور جدید، واکنش آندی عموماً نیازمند مقدار بالایی فلز گران قیمت، تقریباً 10 برابر پیل سوختی هیدروژن است. نوعاً حدود 2-4 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیست برای آند و کاتد موردنیاز است (2/0 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیزور برای پیلسوختی هیدروژنی لازم است). الکترود کاتد معمولاً بهمقدار کاتالیزور بیشتری برای مقاومت در برابر اکسایش متانول گذرکرده نیاز دارد.
نکته آخر اینکه سینتیک آندی DMFC در مقایسه با اکسایش H2 کند است و بهمحتوای کاتالیزوری بالایی نیاز دارد که این امر ممکن است DMFC را فقط برای کاربردهای قابل حمل محدود سازد.
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول
کندی و حامنت گزارش داده‌اند که متانول در حین اکسایش تحت جذب سطحی تخریبی قرار می‌‌گیرد. متانول روی سطح پلاتین ابتدا جذب سطحی می‌شود و سپس دهیدروژناسیون گونه‌های جذب سطحی شده اتفاق میافتد که طی چند مرحله در پتانسیل‌های پایین‌تر انجام می‌شود. اتم‌های هیدروژن جذب سطحی شده میتوانند سریعاً از سطح پلاتین حذف شوند. فرآیند تخریبی که منجر به تشکیل یک سری از حدواسط‌های کربوکسیلی جذب سطحی می‌شوند مثل (x = 1-3) ads(CHxO) با تشکیل گونه CO با جذب سطحی قوی شونده همراه است که مهمترین عامل مسمومیت الکترود هستند. گونه CO جذب سطحی شده با گونه های حاوی اکسیژن جذب سطحی شده مجاور مثلاٌ OHads یا H2O در محلول واکنش داده تا به CO2 محصول نهایی تبدیل شود که توسط آنالیزهای HPLC تأیید شده است. بنابراین مولکول‌های متانول، گونه‌های جذبسطحی شونده حاصل از تخریب و گونه‌های اکسیژن‌دار می‌توانند بهآسانی جذب سطحی یک کاتالیزور مناسب برای اکسایش متانول شوند. با توجه به شواهد جمعآوری شده از نوشتهها و مقالات و نتایج آزمایشات، سه نتیجهگیری میتوان انجام داد [20]:
جذب سطحی متانول مرحله تعیینکننده سرعت در واکنش اکسایش کلی متانول است.
اکسایش متانل شامل یک فرایند چند مرحله‌ای از جذب سطحی- تخریب است.
واکنش اکسایش از درجه اول نسبت به متانول است بنابراین مکانیسم واکنش متانول بهصورت زیر ارائه میشود [15]:
Pt + CH3OH → Pt – (CH3OH)ads (1-10)
Pt – (CH3OH)ads +Pt → Pt – (CH2OH)ads +Pt - Hads (1-11)
Pt - (CH2OH)ads + Pt → Pt - (CHOH)ads +Pt - Hads (1-12)
Pt - (CHOH)ads + Pt → Pt – (COH)ads + Pt – Hads (1-13)
Pt – (COH)ads +Pt → Pt – (CO)ads +Pt – Hads (1-14)
Pt - Hads → H+ +Pt + e- (1-15)
Pt +H2O →Pt – (OH)ads + Pt –Hads (1-16)
Pt – (CO)ads + Pt – (OH)ads → CO2 + H+ + e + 2Pt (1-17)
و واکنش کلی:
CH3OH + H2O→CO2 + 6H+ + 6e- (1-18)
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیزورهای برپایه پلاتین
یکی از خصوصیات الکلهایی مانند اتانول و گلیسرول این است که روی Pt و آلیاژهای آن بهسختی اکسید میشوند بهویژه آنکه هیچ کاتالیزوری آندی بر پایه پلاتین، دانستیه انرژی قابل قبول را در پیلسوختی گلیسرولی مستقیم و پیلسوختی اتانولی مستقیم نشان نداده است. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول نسبت به اتانول بهدلیل حضور دو یا سه گروه هیدروکسیل پیچیدهتر میباشد. شکل 1-8 فرم عمومی پیشنهاد شده برای اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای پلاتین را نشان میدهد. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول موجب تشکیل مقدار قابل توجهی کربنات میشود و از اینرو اکسالات روی سطح الکترود Pt بهکندی اکسید میشود و CO2 نیز عموماً یک محصول فرعی هم برای اکسیداسیون گلیکولات (a) و هم برای تارترونات (b) محسوب میشود [23-21]. از طرفی اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول بر خلاف اکسیداسیون هیدروژن شامل مراحل زیاد و تشکیل حدواسطهای فراوانی است که ممکن است سایتهایفعال روی سطح فلز را اشغال کنند. ثانیاً اکسیداسیون جزئی محصولات منجر به بازدهی پایین پیلسوختی خواهد شد هم چنین حدواسطهای تولید شده مانند CO موجب مسمومیت و غیر‌فعال‌شدن کاتالیزور میشوند [22].

شکل 1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای فلزی [21].
بر همین اساس استفاده از سوختهای جایگزین در آند DAFC هنوز هم مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. خصوصیتی که این سوختها باید داشته باشند این است که چگالی انرژی حجمی و ولتاژ سل بالایی داشته باشند از طرفی حدواسطهای تولیدشده در اکسیداسیون آنها موجب مسمومیت کاتالیزور آندی نشوند.
پژوهشهای اولیه انجام شده روی الکلهای نوع اول و نوع دوم نشان داد که واکنش اکسایش 1-پروپانول و 2-پروپانول منجر به تشکیل ترکیبات کربونیل مربوطه میشود. همچنین آزمایشات انجام شده برای مقایسه واکنشپذیری 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکتروکاتالیزور Au/SiO2 مشخص کرد که فعالیت 2-پروپانول در دماهای پایین بیشتر از 1-پروپانول است [24]. علاوه بر طلا، پلاتین نیز میتواند بهعنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون الکلهای ایزومری مورد استفاده قرار گیرد. از اینرو Pt/C 5% برای اکسایش 2-پروپانول در دمای محیط مورد استفاده قرار گرفت نتایج نشان داد که در فرایند اکسیداسیون 2-پروپانول، محصولات استون، پروپیونیکآلدئید و اسیدپروپیونیک تشکیل میشوند [25]. کاتالیزور پلاتین با بستر نانوذرات سیلیکا نیز میتواند برای اکسایش 2-پروپانول مورد استفاده قرار بگیرد [26]. پژوهشهای دیگر مشخص کرد که کاتالیزور Au/CeO2 نیز فرآیند الکترواکسایش 2-پروپانول را با بازدهی بیشتری نسبت به CeO2 انجام می‌دهد ولی کارایی این کاتالیزور کمتر ازPt/C تجاری است [27-28].
شکل 1-9 مکانیسم اکسایش 2-پروپانول را نشان میدهد. در این مکانیسم که شامل چند مرحله است ابتدا هیدروژن گروه هیدروکسیل جدا میشود و در ادامه فرآیند اکسایش بهوسیلهی دو واکنش موازی: (1) تشکیل پروپن و (2) هیدروژنزدایی و تشکیل استون دنبال میشود. در نهایت این ترکیبات به CO2 و H2O تجزیه میشوند [29].

شکل 1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول [29].
در سال 2002 ژیگانگ و همکارانش عملکرد پیلسوختی 2-پروپانولی مستقیم را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که 2-پروپانول عملکرد خیلی بهتری در مقایسه با پیلسوختی متانولی مستقیم دارد. این سوخت، ولتاژ مدار باز بسیار بالاتر و جریان میانعبور بسیار پایینتر نسبت به متانول نشان میدهد. آزمایشات مشخص کرد که اگر در پیلسوختی از 2- پروپانول بهعنوان سوخت استفاده شود، میتواند چگالی انرژی الکتروشیمیایی 5/1 برابر بیشتری نسبت به پیلسوختی متانولی داشته باشد. با این حال، حدواسطهای تولید شده در اکسیداسیون 2-پروپانول موجب مسمومیت شدیدتر آند میشود [30].
در سال 2006 اقای برجنز و همکارانش الکترواکسیداسیون 2-پروپانول را روی الکترود پلاتین در محیط‌های قلیایی بررسی کردند. نتایج مشخص کرد میزان حداکثر جریان با افزایش غلظت 2-پروپانول یا هیدروکسید افزایش می یابد، همچنین افزایش غلظت هیدروکسید باعث جابجایی پتانسیل به مقادیر منفیتر میشود. الکترواکسیداسیون پتانسل آغازی استون بالاتر از الکترواکسیداسیون 2-پروپانول میباشد و این امر بهدلیل جذب بالای حدواسطها در اکسیداسیون 2-پروپانول میباشد [31].
در سال 2007 اقای چانگ وی زو و همکارانش فعالیت پالادیم و طلا برای اکسیداسیون 2-پروپانول مورد بررسی قرار دادند. الکترود پالادیم چگالی جریان بهتر، فعالیت بالاتر و پتانسیل آغازی منفیتری برای اکسیداسیون 2-پروپانول نسبت به کاتالیزورهای پلاتین در محیط قلیایی نشان داد. نتایج ولتامتری چرخهای نشان داد که افزودن Au منجر به نتایج امیدبخشی در اکسیداسیون 2- پروپانول میشود و پتانسیل آغازی را در اکسیداسیون 2ـ پروپانول نسبت به اکسیداسیون متانول 120 میلیولت جابجا مینماید [32] .
در سال 2008 متیو و همکارانش الکترواکسیداسیون 2- پروپانول و استون را روی الکتروکاتالیزور Pt و Pt-Ru در الکترولیت قلیایی با روشهای ولتامتری چرخهای و کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای نشان داد که مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C مقدار مثبتتری نسبت به Pt-Ru/C است که این امر به سینتیک کند کاتالیزور Pt/C در مقایسه با کاتالیزور Pt-Ru/C نسبت داده شد. بررسی نتایج کرونوآمپرومتری نشان داد که کاتالیزور حاوی Ru فعالیت بسیار بالایی در کاهش استون در پتانسیلهای پایینتر نشان میدهد [33].
در سال 2008 تانگ و همکارانش الکترواکسیداسیون متانول، 1-پروپانول و 2-پروپانول را روی پلاتین و پالادیم در محیط قلیایی بررسی کردند. نتایج اولیه این مطالعه نشان داد که Pd الکتروکاتالیزور مناسبی برای اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول است. و فعالیت اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pt در محیط قلیایی کم است ولی فعالیت اکسیداسیون این الکلها در سطح الکترود Pd به این صورت است:
متانول < 1-پروپانول < 2-پروپانول
نتایج نشان داد که چگالیجریان مربوط به اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pd خیلی بالاتر از الکترود Pt است. پتانسیل شروع اکسیداسیون 2-پروپانول در الکترود Pd منفیتر از الکترود Pt بوده و در نتیجه Pd میتواند جایگزین مناسبی برای Pt دراکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول در محیط قلیایی باشد[34].
در سال 2011، مارگارتا و همکارانش اکسیداسیون الکتروکاتالیتیکی 2،1 پروپاندیال را با استفاده از الکترود نانومتخلخل و مسطح پلاتین در محیط قلیایی بررسی کردند. ولتامتری چرخهای نشان داد که الکترود نانومتخلخل پلاتین چگالی جریان بالاتری نسبت به الکترود مسطح پلاتین نشان میدهد. نویسنده دلیل این امر را مورفولوژی و ساختار هندسی الکترود نانومتخلخل پلاتین میداند. همچنین مطالعه ساختار الکترودها نشان داد چگونگی اتصال حدواسطهای تولید شده به الکترود Pt به مورفولوژی الکترود پلاتین بستگی دارد[35].
در سال 2012 مونیچاندرایه و همکارش اکسیداسیون 1،2پروپاندیال روی الکتروکاتالیزور Pd ترسیب شده روی پلی 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن (PEDOT) را بررسی کردند. آزمایشات نشان داد که فعالیت الکتروکاتالیزور Pd-PEDOT/C در الکترواکسیداسیون1،2پروپاندیال بیشتراز الکترود Pd و Pd/C میباشد. افزایش سطح و همچنین افزایش سایتهای فعال پالادیم موجب شد که Pd-PEDOT/C فعالیت الکتروشیمیایی بسیار بالاتری نسبت به پالادیم نشان دهد. نتایج ولتامتری چرخهای مشخص کرد که چگالی جریان با افزایش غلظت 2،1پروپاندیال و همچنین NaOH در الکترولیت افزایش مییابد. مطالعات آمپرومتری اثبات کرد که الکترود Pd-PEDOT/C پایداری و ثبات بسیار بیشتری در مقایسه با الکترود Pd/C دراکسیداسیون 2،1پروپاندیال دارد [36].
در سال 2013 ویل مدلین و همکارانش اکسیداسیون انتخابی اتیلنگلیکول و 2،1پروپاندیال را بر روی طلا و پالادیم و کاتالیزور دوفلزی Au/Pdتهیه شده بهوسیله ترسیب الکترودی مورد بررسی قرار دارند. بررسیها با استفاده از معرف انتخابی رقیق شده نشان داد که برای اتیلنگلیکول شکستن پیوند C-H مرحله تعیینکننده سرعت است. مطالعات DFT و XRDنشان میدهد که افزایش سطح کاتالیزور دوفلزی در مقایسه با پالادیم به احتمال زیاد به علت کاهش در پوشیده شدن پیوندهای جذبشده بوده و هنگامی که درصد طلا افزایش مییابد احتمال شکسته شدن پیوند C-H کاهش مییابد [37].
دامر و همکارانش اکسیداسیون 2،1پروپاندیال را با استفاده ازنانوذرات فلزی طلا، پالادیم، پلاتین و مخلوطی از این فلزات مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از Au-Pt/C باعث افزایش اکسایش 2،1پروپاندیال تحت شرایط واکنش میشود. آلیاژ طلا با پلاتین منجر به تولید کاتالیزوری با بازدهی بیشتر در مقایسه با آلیاژ طلا با پالادیم میشود. بررسی اکسیداسیون 1،2-پروپاندیال مشخص کرد که در محیط بازی محصول اصلی لاکتات خواهد بود و در غیاب باز واکنش پذیری کاتالیزورها کاهش می‌یابد و محصولات واکنش، هیدروکسیاستون و لاکتات هستند. مسیر پیشنهادی برای مکانیسم اکسایش 2،1پروپاندیال در شکل 1-10 نشان داده شده است [38].

شکل 1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال [38].
مکانیسم دیگری برای اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال روی کاتالیزورهای Pd/C ,Pt/C ,Au/C در محیط بازی توسط پراتی و گروه مطالعاتیاش پیشنهاد شد (شکل 1-11). نتایج نشان داد که Au/C فعالیت ذاتی بالایی در اکسیداسیون گروه هیدروکسیل نوع اول نشان میدهد در حالیکهPd وPt/C گزینشپذیری بین هیدروکسیل نوع اول و دوم ندارند [39]. نتایج مشابهی توسط پینکس و تارنینگ نیز برای اکسایش 1و2-پروپاندیال بدست آمده است [40-41].

شکل 1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی[39].
1-10- اهداف پروژه
در این پروژه ابتدا الکتروکاتالیزور پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیمبورهیدرید سنتز میشود. در ادامه، فعالیت کاتالیزور پلاتین/کربن در فرایند اکسیداسیون 2،1-پروپاندیال، 2- پروپانول و متانول در محیط قلیایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و واکنش اکسیداسیون این الکلها بهعنوان سوخت قابل استفاده در پیل سوختی قلیایی بررسی میشود. سپس رفتار الکتروشیمیایی الکلهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده و تفاوتهای موجود استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت پایداری کاتالیزور پلاتین/کربن سنتز شده در برابر مسمومیتهای ناشی از حد‌واسط‌های تولید شده در فرآیند اکسیداسیون، با استفاده از تکنیکهای مختلف الکتروشیمیایی ارزیابی خواهد شد.
فصل دوم
مبانی نظری
280098545466000263715511620500
فصل دوم: مبانی نظری
2-1- مقدمه
الکتروشیمی شاخهای از شیمی میباشد که به بررسی رفتارهای الکتریکی واکنشهای شیمیایی می‌پردازد. در این روش، کمیتهای الکتریکی مانند جریان، پتانسیل، مقاومت، بار اندازهگیری شده و ارتباط آن با واکنشهای شیمیایی، مورد بررسی قرار میگیرد که موجب کاربرد گستردهی این روش درزمینههای مختلف از جمله صنعت، محیط زیست، پزشکی و... شده است. همچنین روشهای الکتروشیمیایی دارای کاربرد وسیعی در تجزیه نمونههای مختلف و نیز در سنتزهای آلی و معدنی، بدست آوردن دادههای ترمودینامیکی و سینتیکی واکنشها و... میباشند. گزینشپذیری، حساسیت بالا، سهولت اجرا، سرعت عمل و کمهزینه بودن روشهای الکتروشیمیایی و همچنین صحت و دقت بالایی که با آن میتوان پارامترهای مرتبط با این واکنشها را اندازه گرفت، روشهای الکترو شیمیایی را در ردیف حساسترین و انتخابیترین روشها برای اندازهگیریهای کمی وکیفی قرار میدهد.
روشهای الکتروشیمیایی بر اساس وضعیت تعادلی سل الکتروشیمیایی و حضور یا عدم حضور جریان به دو دسته عمده روش‏های ایستا و پویا تقسیم‏بندی می‏شوند. در روش‏های ایستا اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل در جریان صفر انجام می‏شود. درحالیکه، روش‏های پویا مبتنی بر اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل یا جریان در خارج از حالت تعادل هستند. روش‏های پویا به چند دسته تقسیم‏بندی می‏شوند که عبارتند از‏: جریان ثابت‏، پتانسیل کنترلشده و بار عبوری کنترلشده‏.
2-2- تکنیکهای مورد استفاده
در این پروژه تحقیقاتی رفتار الکتروشیمیایی اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی توسط کاتالیست Pt/C، از طریق روشهای الکتروشیمیایی کرونوآمپرومتری، ولتامتری چرخهای(CV)، ولتامتری روبش خطی(LSV) و طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه به کاربرد هر یک از این روشها در ارزیابی عملکرد الکترود آند پیلهای سوختی الکلی مستقیم پرداخته شده است.
2-3- ولتامتری
ولتامتری بهطور وسیعی توسط شیمیدان‏های معدنی، شیمیفیزیک و زیستشیمی برای مطالعات بنیادی فرایندهای اکسایش وکاهش در محیط‏های مختلف، فرایندهای جذب سطحی روی سطوح و مکانیسم انتقال الکترون در سطح الکترودهای تعدیلشدهی شیمیایی بهکار گرفته می‏شود. بهطورکلی ولتامتری شامل دسته‏ای از روش‏های الکتروتجزیه‏ای است که در آن‏ها اطلاعات در خصوص ترکیبات از طریق دنبال کردن جریان بهعنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده حاصل می‏گردد.
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل
ولتامتری با روبش خطی پتانسیل روشی است که در آن، پتانسیل شیب‌داری را به الکترود ساکن شناور در محلول ساکن اعمال می‌کنند و تغییرات جریان حاصل را نسبت به پتانسیل الکترود ثبت می‌نمایند. در این روش که جزء روش‌های پتانسیوستایی است از سه الکترود کار، کمکی و مرجع استفاده می‌شود و بسته به جهت روبش پتانسیل، فرایند الکترودی و جریان وابسته به آن ممکن است ماهیت آندی یا کاتدی داشته باشد [42].
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای
هرگاه جهت روبش پتانسیل را، با رسیدن به پتانسیل انتهایی عوض کنند و روبش پتانسیل را در جهت عکس تا رسیدن به پتانسیل اولیه ادامه دهند، در صورت برگشتپذیر بودن فرایند الکترودی، محصول واکنش که در مرحله روبش رفت پتانسیل به وجود آمده و در اطراف الکترود قرار دارد، میتواند در مرحله روبش برگشت، در واکنش عکس وارد شود وLSV را بهوجود آورد که علامت جریان آن، عکس علامت جریانهای ثبت شده در مرحله رفت است. در این حالت روش را ولتامتری چرخهای مینامند. بسته به اطلاعات مورد نیاز، یک یا چندین چرخه میتواند بهکار گرفته شود. در این روش که عمدتًا برای مطالعه مکانیزم واکنشها و تبیین حدود برگشتپذیری فرایندهای الکترودی بهکار میرود، سرعت روبش پتانسیل را در دو مرحله رفت و برگشت، معمولاً یکسان انتخاب میکنند.
در این پروژه، از روش ولتاموگرام چرخهای برای سنجش کارایی کاتالیتیکی کاتالیزور و همچنین سنجش پایداری کاتالیزور استفاده شده است.
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای
در علم الکتروشیمی، به پدیدههایی که بر سطح الکترود رخ میدهد توجه خاصی شده است که برای بررسی، واکنش الکترودی کلی:
(2-1)O + ne- ⇔ R
را در نظر میگیریم که گونه اکسید شده O طی مراحل متعدد بهگونه کاهش یافته تبدیل می شود، شکل (2-1)] 43[.
همانطور که در شکل (2-1) نشان داده شده است جریان یا سرعت واکنش الکترودی بهوسیله سرعت فرآیندهای ذیل کنترل میشود:
1- انتقال جرم: بهمعنای فرایند انتقال گونه اکسیدی از داخل محلول به سطح الکترود.
2- انتقال الکترون در سطح الکترود
3- واکنش سطحی نظیر جذب سطحی، دفع یا کریستالیزاسیون.
4- واکنش شیمیایی قبل یا بعد از انتقال الکترون که این واکنشها میتوانند همگن یا ناهمگن باشند.

شکل 2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی
فرایند انتقال جرم میتواند به سه طریق انجام گیرد:
مهاجرت: یعنی جابجایی گونه باردار در اثر میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترود (گرادیان پتانسیل الکتریکی).
نفوذ: یعنی جابجایی گونه باردار تحت تاثیر تغییر پتانسیل شیمیایی یا به عبارت دیگر اختلاف غلظت ایجاد شده بین محلول و الکترود (گرادیان غلظتی)
جابجایی: به معنای جابجایی گونه ها در اثر بهمزدن یا انتقال هیدرودینامیکی
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای
در ولتامتری چرخهای پتانسیل الکترود کار نسبت به زمان بهطور خطی تغییر مینماید. پتانسیل آغازی را طوری انتخاب مینماییم که واکنش اکسیداسیون و احیا در سطح الکترود انجام نگیرد. بعد از طی کردن محدوده پتانسیل یک یا تعداد بیشتری واکنش الکترودی رخ میدهند. سپس جهت روبش خطی معکوس شده و واکنشهای الکترودی، حدواسطها و محصولاتی که طی فرآیند اول تشکیل شدهاند، اگر الکتروفعال باشند، قابل تشخیص خواهند بود (شکل 2-2).

شکل 2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی
2-4- نمودارهای تافل
وقتی که E=Eeq است، هیچگونه جریان خالص از مدار عبور نمیکند. با این حال، این موقعیت با حرکت مستمر حاملان بار در هر دو جهت، یک حالت دینامیک است و در آن مؤلفههای جریانهای آندی و کاتدی متقابل با هم برابرند. قدرمطلق این مؤلفهها در Eeq ، جریانمبادله () را نشان می‌هد که مستقیماً با ثابت سرعت استاندارد متناسب است.
(2-1)
که در آن ، بهترتیب مؤلفههای کاتدی و آندی می‌باشند.
اگر معادله مبادله باتلر- ولمر برحسب جریان نوشته شود:
(2-2) معادله باتلر-ولمر

(2-3)
که در آن است و بهنام پتانسیل اضافی نامیده می‌شود.
معادله (2-3) می‌تواند برای استخراج اطلاعات مربوط به و α، که پارامترهای مهم سینتیکی هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
برای پتانسیلهای اضافی بهقدر کافی بزرگ، یکی از عبارتها در معادله (2-3) در مقایسه با دیگری قابل صرفنظر کردن خواهد بود. مثلاً در پتانسیل مازاد بسیار منفی، میشود و معادله (2-3) بهشکل زیر درمی‌آید:
(2-4)
و بنابراین میتوانیم داشته باشیم:
(2-5)
این وابستگی لگارتیمی پتانسیل- جریان بهعنوان معادله تافل شناخته شده است. با رسم تغییرات logi برحسب ، منحنیهای تافل برای شاخههای کاتدی و آندی منحنیجریان- پتانسیل مازاد بهدست می‌‌آیند [44-45].
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی
در چند سال اخیر روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی که به اختصار EIS یا امپدانس ac نامیده میشود بهعنوان روشی کلیدی در الکتروشیمی و علم مواد مورد استفاده فراوان قرار گرفته است. بدون شک، در مطالعه سیستمهای الکتروشیمیایی، روش EIS با استفاده از تکنیکها و قالبهای خروجی متنوعی که دارا است قادر به ارائه اطلاعات صحیح در مورد سینتیک و مکانیسم واکنش خواهد بود. بههمین دلیل به‌عنوان وسیلهای قدرتمند در مطالعات خوردگی، ارزیابی خواص پوششها، آبکاری الکتریکی، باتریها، سرامیکها و نیمههادیها بهکار میرود. بهعلاوه روش EIS دارای چهار مزیت عمده است که عبارتند از :
1-میزان تحرک کم: در این روش معمولا از دامنه ولتاژ 10-5 میلی ولت استفاده میگردد که آن امر منجر به ایجادکمترین آشفتگی در سیستمهای الکتروشیمیایی مورد آزمایش میشود.
2-مطالعه مکانیسم : چون دادههای حاصل از آزمایشهای امپدانس الکتروشیمیایی هم، اطلاعاتی در مورد ظرفیت و هم در مورد سینتیک انتقال بار بهدست میدهند لذا میتوان مطالعات مکانیسیمی سیستم را با آنها انجام داد.
3-صحت اندازهگیری: از آنجا که در روش EIS روبش پتانسیل انجام نمیشود اندازهگیری میتواند در محلولهایی با هدایت کم نیز انجام شود.
4-استفاده از مدارالکتریکی : مهمترین مزیت روش EIS این است که در آن از یک مدل کاملا الکتریکی برای پدیدههای الکتروشیمیایی استفاده میگردد.
اما مشکل عمده روش امپدانس ac این است که فهم دقیق مفاهیم مربوط به این روش نیازمند اطلاعات زیادی در زمینه ریاضیات و همچنین تجربه، تبحر و آگاهی در زمینههای مختلف خوردگی است. در مجموع، قابلیت مدلسازی شدن فرآیند خوردگی، استفاده عملی از روش امپدانس را میسر میسازد. روش امپدانس ac روش نوینی است که اهمیت آن برای پیشبینی رفتار خوردگی، روز به روز بیشتر میشود [46].
اندازهگیری EIS توسط یک تحلیلگر پاسخ فرکانس با کنترل پتانسیلاستاتیکی در یک سیستم الکترودی قابل انجام است. این روش مبتنی بر اغتشاش سیستم در حال خوردگی در حول و حوش پتانسیل خوردگی میباشد. سیستم سه الکترودی مذکور شامل الکترود کار، مرجع و کمکی است [46]. نمودارهای EIS بهصورتهای مختلف نمایش داده میشوند. یکی از روشهای مطلوب نمایش دادههای امپدانس الکترو‌شیمیایی منحنی نایکوئیست میباشد. در این قالب نمایش دادهها در مختصات مختلط امپدانس حقیقی (Zre) برحسب امپدانس موهومی (Zim) در محدوده یا از فرکانس تحریکی رسم میشوند. در صورتی که مدار فقط دارای مقاومت باشد امپدانس آن توسط یک نقطه روی محور افقی مشخص میشود و در صورتی که مدار، فقط دارای خازن باشد منحنی نایکوئیست آن خطی صاف و منطبق بر محور عمودی خواهد بود. در حقیقت، امپدانس مقاومت فقط دارای قسمت حقیقی و مستقل از فرکانس بوده ولی امپدانس خازن، فقط دارای قسمت موهومی و البته تابع فرکانس میباشد. معمولا منحنیهای نایکوئیست بهصورت نیمدایره هستند. از این نیمدایره، سه پارامتر اصلی را میتوان بهدست آورد که عبارتند از :
RΩ که در فرکانسهای بالا در نقطه Zim برابر با مقدار Zre میباشد.
Rf برابر با قطر دایره است.
C لایهی دوگانه الکتریکی که از رابطه زیر با دانستن فرکانس در بالاترین نقطه دایره قابل محاسبه است.
(2-1)C = 1/(ωRP )
علاوه بر این سرعت یک واکنش شیمیایی ممکن است تحت تاثیر نفوذ یک یا چند واکنشگر از سطح مورد مطالعه باشد. زمانی که مکانیسم واکنش الکتروشیمیایی کاملا تحت تاثیر نفوذ باشد پاسخ امپدانس دارای مشخصهی منحصر به فردی است که امپدانس واربرگ نامیده میشود. برای چنین واکنشی، جریان نسبت به پتانسیل اعمالی 45 درجه اختلاف فاز دارد بنابراین در تمامی فرکانسها قسمت حقیقی و موهومی بردار امپدانس با یکدیگر یکسان میباشند برای نشان دادن امپدانس واربرگ از علامتw استفاده میگردد.
اصلیترین حُسن منحنی نایکوئیست این است که نحوه رسم به گونهای است که بهسادگی میتوان نیم‌دایره را بهطرف چپ و پائین برونیابی کرده محل تقاطع آن را با محور x بهدست آورد غالبا با تغییر مقاومت اهمی، شکل نیمدایره تغییری نمیکند. حُسن دیگر منحنی نایکوئیست این است که بر روی اجزا سری مدار مانند مقاومت اهمی تاکید دارد.
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود
برای مشخصهیابی سطح الکترودهای اصلاح شده و ترکیب عناصر موجود بر سطح آنها از روشهای تصویر‌برداری مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفبینی پراکنش انرژی استفاده میگردد که در ذیل به نحوهی عملکرد آنها پرداخته میشود.
2-6-1- SEM
SEM از جمله مهمترین و پرکاربردترین فنون مشخصهیابی ساختارهای نانو است که برای بررسی ساختار سطحی و اندازهی مواد نانو بهکار میرود. تکنیک SEM با بمباران الکترونی، از سطح اجسامی به کوچکی 10 نانومتر تصویربرداری میکند. در حین بمباران، الکترونهایی بهسمت صفحهی دارای بار مثبت رها می‌شوند که سبب ایجاد علامت میگردد. حرکت پرتو بر روی نمونهی آزمایشی، مجموعهای از علائم را فراهم میکند که بر این اساس، میکروسکوپ میتواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحهی رایانه نمایش دهد. همچنین، معمولاً باید سطح نمونههایی که با SEM بررسی میشوند با یک مادهی رسانای الکتریسیته پوشانده شود. در غیر این صورت، الکترونی که بهسطح نمونه تابیده میشود، دفع نشده، روی سطح باقی مانده و بار ساکن ایجاد میکند. الکترونهای بعدی با این بار ساکن دارای بار همنام برخورد نموده، دفع و یا منحرف میشوند و در نتیجه تصویر حاصل ناپایدار شده و وضوح آن کاهش مییابد. از اینرو معمولاً با نشاندن لایهی نازکی از طلا و پلاتین، سطح نمونههای نارسانا، هدایت الکترونی پیدا میکنند و الکترونهای سطحی دفع شده و مشکل فوق حل گردیده و وضوح تصویر نیز بهبود مییابد [47].

شکل 2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM .
2-6-2- EDS
اساس کار EDS به این ترتیب است که یک پرتو پرانرژی از ذرات باردار نظیر الکترون، پروتون یا پرتوی از اشعهی ایکس بر سطح مورد مطالعه متمرکز میشود. پرتو فرودی ممکن است یک الکترون در پوستهی داخلیتر را تهییج نموده و آن را از لایه بیرون رانده و یک حفرهی الکترونی ایجاد کند. سپس یک الکترون از لایهی پرانرژیتر بیرونی، این حفره را پر نموده و اختلاف انرژی بین پوسته با انرژی بالاتر و پوستهی با انرژی پایینتر به شکل اشعهی ایکس آزاد میشود. هر عنصر با توجه به ساختار اتمی خاص خود، اشعهی ایکس خفیفی با انرژی خاصی آزاد میکند که با توجه به آن میتوان عناصر موجود در نمونه را شناسایی کرد [48].
فصل سوم
بخش تجربی
268922538544500
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی
جدول 3-1، مشخصات مواد شیمیایی مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول 3-1- مشخصات مواد شیمیایی
ردیف نام ترکیب شیمیایی درجه خلوص نام شرکت،کشور سازنده
1 پتاسیم هگزا کلرو پلاتینات
Cl6k2Pt)) 99< مرک، آلمان
2 هیدروکلریک اسید (HCl) 98 فلوکا، سوئیس
3 پتاسیم هیدروکسید
((KOH 85< فلوکا
4 کربن ولکان XC-72 99< نانو تک-چین
5 2-پروپانول 99< فلوکا
6 متانول 98< مرک
7 2،1-پروپاندیال 98< فلوکا
8 سدیم بور هیدرید
(NaBH4) 99< سیگما-آلدریچ
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده
جهت ثبت ولتاموگرامها و سایر اطلاعات از دستگاه‌ پتانسیواستات/ گالوانواستاتAutolab PGstat 30 استفاده شد.
آزمایشهای امپدانس بهوسیله دستگاه Frequency Response Detector مدل 1025 ساخت شرکت EG&G متصل به دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات انجام شد.
در تمام آزمایشها از سیستم سه الکترودی شامل الکترود کار کربنشیشهای ‌با سطح متوسط 0314/0 سانتی‌متر مربع، الکترود کمکی پلاتین والکترود مرجع اشباع Ag/AgCl استفاده شد.

شکل 3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی.
به منظور ساخت جوهر کاتالیزور برای اصلاح اولیه سطح الکترود کربنشیشه از دستگاه فراصوت پروب‌دار Ultarsonic Cell Crusher استفاده شد.
حمام فراصوت 31Bandelin-DT، جهت انحلال سریعتر نمونههای آزمایشی ساخت آلمان.
از ترازوی دیجیتال Precisa 240 A با دقت 00001/0 گرم برای توزین نمونهها استفاده شد.
خشک کردن کاتالیزور سنتز شده در آون انجام شد. از آون ساخت کشور کره مدل VS-1202V5 استفاده شد. این آون متصل به پمپ خلأ و دارای قابلیت برنامه ریزی دمایی میباشد.
از همزن مغناطیسی دارای قابلیت حرارتدهی ساخت شرکت IKA آلمان مدل RET B استفاده شد.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با استفاده از میکروسکوپ Philips XL30-EDAX ساخت کشور آمریکا بدست آمد.
از دستگاه EDS، مدل VEGA-Tescan، استفاده شد.
3-3- الکترود‌های بهکار گرفته شده در روش‌های ولتامتری
در حالت کلی، عموماً فرآیندهای الکتروشیمیایی شامل انتقال الکترون‌ بین یک هادی فلزی و سطوح انرژی مستقر در مولکول‌ها یا یون‌ها در سطح مجاور الکترود می‌باشند. در روش‌های ولتامتری از سیستم-‌های سه الکترودی استفاده می‌شود که این الکترود‌ها عبارتند از:
الف- الکترود شاهد: الکترود نقره/نقرهکلرید/ پتاسیمکلرید Ag|AgCl|KCl ساخت شرکت آذرالکترود، ارومیه، ایران.
ب- الکترود کمکی: الکترود میلهی پلاتینی.
ج- الکترود کار: الکترود کربنشیشه ساخت شرکت آذرالکترود، ارومیه، ایران.
3-4- تهیه کاتالیزور پلاتین/کربن

user8270

Ra عدد رایلی
Re عدد رینولدز
Gr عدد گراشف
Kn عدد نادسن
Nu عدد ناسلت
L گرمای نهان
U مولفه سرعت افقی در راستای x
V مولفه سرعت عمودی در راستای y
VF نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
AR نسبت منظری ( (L/H
 چگالی
 نسبت انبساط حجمی
نسبت حجمی ذرات نانو به سیال
 نفوذ حرارتی
 ویسکوزیته سینماتیکی
 ویسکوزیته دینامیکی مولکولی
S جامد
L سیال
279409525000
فصل اولمقدمه330208445500
1-1 مقدمهانتقال حرارت به همراه تغییر فاز در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی در کاربردهای مختلف صنعتی و غیرصنعتی اتفاق می‌افتد و برخی از پدیده‌های طبیعی در این زمینه عبارتند از: فرایند ذوب شدن برف، یخ زدن آب دریاچه‌ها و سوختن شمع. بعضی از پروسه‌های صنعتی که همراه با تغییر فاز هستند عبارتند از: جوشکاری و ریخته‌گری.
فرآیند انتقال حرارت به همراه تغییر فاز به خاطر کارهای انجام شده توسط استفان (Stefan) در سال 1889 به مسأله استفان معروف است.
در میان کاربردهای مربوط به فرآیند تغییر فاز، واحدهای ذخیره‌کننده انرژی حرارتی دارای اهمیت فراوان می باشند چرا که در اکثر پدیده‌های فیزیکی که به همراه تغییر فاز هستند، این فرآیند به صورت ناخواسته انجام می‌گیرد. مثلاً در صنعت ریخته‌گری اگر گرمای نهان آلیاژ کمتر باشد طبیعتاً انرژی، هزینه و زمان کمتری برای تولید نیاز خواهیم داشت ولی در واحدهای ذخیره‌کننده انرژی هدف استفاده از گرمای نهان ذوب در طول تغییر فاز می‌باشد به همین جهت در سال‌های اخیر واحدهای ذخیره‌کننده انرژی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. ظرفیت بالای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی باعث می شود تا امکان ساخت ذخیره‌کننده‌های کوچک فراهم گردد و بتوان آن ها را به صورت فشرده تولید کرد این ویژگی باعث می‌شود تا استفاده از واحدهای ذخیره‌کننده انرژی در کاربردهای تجارتی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجهه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد به عنوان نمونه می‌توان از سیستم های ذخیره کننده انرژی همراه با تغییر فاز جهت تأمین انرژی حرارتی در مناطق مسکونی استفاده کرد.
برای بیان دلیل استفاده از پروسه تغییر فاز جهت تامین انرژی می‌توان به این نکته اشاره کرد که یک کیلوگرم بتون می‌تواند حدود kJ/kg k 1 انرژی ذخیره کند در حالی که یک کیلوگرم Cacl2-6H2O مقدار 190 کیلو ژول انرژی را در طول تغییر فاز می توانند آزاد یا جذب نماید.
دانستن عوامل و پارامترهای موثر بر کارایی ذخیره‌کننده و توانایی تعیین میزان تاثیر این عوامل بر کارایی سیستم باعث می‌شود تا بتوان عمل ذخیره‌سازی و تخلیه انرژی را بهینه سازی‌ نمود .
امروزه با توجه به کمبود و رو به پایان بودن منابع انرژی فسیلی و مسئله آلودگی هوای ناشی از مصرف این مواد برای تامین انرژی، موضوع استفاده از انرژیهای جایگزین اهمیت بیشتری یافته است. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ 80 درصد از انرژی مصرفی جهان را تامین می‌کنند. مصرف انرژی در پنجاه سال گذشته بیشتر از مصرف انرژی در دو قرن پیش از آن بوده است. سازمان اطلاعات انرژی آمریکا پیش‌بینی کرده است، مصرف انرژی جهان تا سال 2030 درحدود 57 درصد افزایش خواهد یافت. با توجه به معضلات سوختهای فسیلی (آلودگی محیط زیست، منابع محدود و پایان‌پذیر، تجدید ناپذیری و تأثیر مستقیم سیاست بر آن) دنیا به انرژی‌های نو شامل خورشید، باد (برای ماشینهای بادی امروزی)، بیو انرژی، زمین گرمایی، هیدروژن، انرژی هسته‌ای و ... تمایل نشان داده است.
یکی از انرژی های نو انرژی خورشیدی می باشد که مهمترین موضوع در انرژی خورشیدی، جذب و ذخیره آن است. جذب انرژی خورشیدی توسط کلکتورهای مختلف برای اهداف متفاوتی از جمله: تولید برق، گرمایش آب، گرمایش فضا و ... صورت می‌گیرد. فراوانی و ارزان بودن انرژی در بعضی از ساعات شبانه روز از دلایل مهم ذخیره انرژی است. انرژی خورشیدی در روز به وفور یافت می‌شود ولی یکی از اشکالات مهم این انرژی عدم دسترسی به آن در شب می‌باشد که به کمک ذخیره انرژی می‌توان از این انرژی در ساعات نبود خورشید نیز بهره برد. در بعضی کشورها مثل چین که بیشتر از انرژی الکتریکی برای گرمایش منازل استفاده می‌شود، با توجه به ارزان بودن انرژی الکتریکی در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود 5/1 برابر ( به دلیل ساعات اوج مصرف )، ذخیره انرژی از راهکارهای مهم به شمار می‌آید.
ذخیره انرژی به شکلهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی صورت می‌گیرد. ذخیره انرژی حرارتی به شکل محسوس (از طریق گرمای ویژه موادی مانند آب، زمین و ...) و نهان (از طریق تغییر فاز موادی مانند پارافین، هیدراتهای نمک و ...) انجام می‌گیرد، که در ادامه به بررسی انواع ذخیره های انرژی می پردازیم.
استفاده از ذرات نانو (با قطر کمتر از nm 50) و تأثیر ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده (NEPCM) دریچه ای جدید برای پیشرفت تکنولوژی نوین در ترکیب مواد، بیو تکنولوژی، طراحی ابزار میکرو فلویدیک و … پیش روی محققین گشوده است.
سیالات معمول مورد استفاده برای انتقال حرارت و ذخیره انرژی دارای ضریب رسانش حرارتی پایین میباشند، در حالی که فلزات دارای رسانش حرارتی بالاتر از سه برابر اینگونه سیالات میباشند. بنابراین استفاده از ذرات جامد فلزی در ابعاد نانو و ترکیب آنها با اینگونه سیالات برای افزایش ضریب رسانش حرارتی و در نتیجه افزایش راندمان حرارتی بسیار مطلوب به نظر میرسد. که درادامه همین فصل به راه های افزایش ارتقای کارایی سیستم پرداخته خواهد شد.
1-2 نانو
پیشوند نانو در اصل یک کلمه یونانی است معادل لاتین این کلمه Dwarf است که به معنی کوتوله و قد کوتاه است این پیشوند در علم مقیاس ها به معنی یک میلیاردیوم است بنابراین یک نانومتر، m9-10است این مقیاس را با ذکر مثال هایی عینی، بهتر می توان حس کرد. یک تارموی انسان به طور متوسط قطری حدود 50000 نانو متر دارد. یک سلول باکتری، قطری معادل چند صد نانومتر دارد. کوچکترین اشیای قابل دید توسط چشم غیرمسلج اندازه ای حدود 10000 نانومتر دارند و فقط حدود 10 اتم هیدروژن در یک خط، یک نانومتر را می سازد.
در این بخش ضمن بررسی تعاریف مختلفی که از فناوری نانو وجود دارد به بیان مبانی، ساختار و اهمیت فناوری نانو و کاربرد های آن می پردازیم.
1-3 نانو تکنولوژی
به بیان ساده علم نانو اصول اولیه مولکولها و ساختارهای با ابعاد بین 1 تا 1000 نانومتر است این ساختارها را نانو ساختار می نامیم. نانو تکنولوژی، کاربرد این ساختارها در دستگاههای با اندازه نانومتری است.
نانو تکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
فناوری نانو یکی از مدرن ترین فناوری های روز دنیاست که دارای خصوصیاتی منحصر به فرد با کاربردهایی در تمام زمینه های علمی و فناوری است همین کاربردها وسیع فناوری نانو که از آن به عنوان ویژگی بین رشته ای بودن فناوری نانو یاد می شود عامل مهمی در فراگیر شدن این پدیده جدید است.
از طرفی توجه روزافزون بشر به این فناوری فقط ناشی از تازگی آن و کنجکاوی بشر برای دانستن آنچه نمی داند، نیست؛ بلکه؛ دلیل قابلیت های ویژه ای که این فناوری پیش روی انسان قرار میدهد و دست یابی به آنها جز از این راه ممکن نیست.
بیشتر محصولات نانو تکنولوژی در معرض آنالیز انتقال حرارت قرار می گیرند زیرا ملاحظات گرمایی همیشه قسمت مهمی از هر فرایند طراحی می باشد بعنوان مثال، همین طور که ابعاد مبدل در سفینه ها کوچکتر می شود از رابطه انتقال گرمای جدیدی در طراحی آن استفاده می شود. بزودی دانشمندان متوجه شدند که اطلاعات ماکروسکوپیک برای پیش بینی جریان و ویژگیهای انتقال حرارتی آن در مینی کانالهای و بدلهای کوچک قابل کاربرد نیست و رابطه جدیدی موردد نیاز است.
1-3-1 چرا «نانو» تکنولوژی؟شاید این سؤال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک تکنولوژیی بر پایه آن بنا نهاده شده است. آنچه باعث ظهور نانو تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو مواد است.
این موضوع یکی از مهم ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو (نانو مواد) است. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده ای ماده غلبه می کند در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربردارند، نقض می شوند. برای مثال، یک سیم با اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چن اتم باشد، الکترونها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند. بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود.
1-4 تاریخچه نانو فناوری
50 سال پیش ریچارد نانیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان «آن پایین فضای بسیاری هست» به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت او فرض کرد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزسیتورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آزاد در مقابل دیگر به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی ممکن را ایجاد کنیم پس از بازگو شدن نظرات فانیمن جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت. در اواسط دهه 70، درکسلر که یک دانشجوی فارغ التحصیل و به نظریات فانیمن علاقه مند بود در سال 1980 میلادی درجه استادی خود را در رشته ی علوم کامپیوتر دریافت نمود و با جمعی از دانشجویان خود به پایه گذاری رشته جدید از مهندسی مولکولی اقدام کرد واین دفتررا «نانو فناوری» نامید.
1-5 کاربرد نانو سیالات
نانو تکنولوژی تقریباً تمام جنبه های زندگی بشر را تحت تأثیر قرار خواهد داد، از دارویی که مصرف می شود تا توان و سرعت رایانه ها، منابع انرژی مورد نیاز، غذایی که خورده می شود، ماشینی که رانده می شود، خانه ای که در آن زندگی می شود و لباسی که بر تن می شود و...
مسلماً پرداختن به توضیح تمام این کاربردها امری بسیار دشوار خواهد بود بنابراین مروری اجمالی و مختصر به برخی کاربردهای ویژه نانو مواد در دنیای نانو تکنولوژی می پردازیم:
● نانو سیالات می توانند برای محدوده وسیعی از کاربردهای صنعتی استفاده شوند، از انتقال گرما تا تولید انرژی و صنایع الکترونیک (خنک کاری چیپ های کامپیوتری و پایگاه های داده).
● در صنایع خودروسازی
- صنایع حمل و نقل تمایل زیادی برای کاهش اندازه و وزن سیستم انتقال گرمای وسیله نقلیه دارند.
- نانو سیالات می توانند انتقال گرمای خنک کننده ها (سیستم های خنک کاری و رادیاتورها) و روانکارها را افزایش دهند.
- استفاده از نانو سیالات باعث می شود تا 10% کاهش در مساحت سطح رادیاتور و در نتیجه 5% کاهش مصرف سوخت داشته باشیم.
- کاهش در اصطکاک و خوردگی باعث کاهش در اتلاف و در نتیجه کاهش مصرف سوخت می شود.
- در مبدل های گرما که از سیالات معمولی استفاده می کنند، قدرت پمپ باید تا 10 برابر شود تا اینکه رسانایی گرمایی تا 2 برابر زیاد شود ولی اگر از نانو سیالات (با فرض رسانای گرمایی تا 3 برابر سیال معمولی) استفاده شود نرخ رسانایی گرمایی بدون افزایش توان پمپ 2 برابر می شود.
●خنک کاری ابزارآلات دارای شار گرمایی بالا مانند لوله های میکروویوی با توان بالا.
● کاربردهای پزشکی
- به منظور روش جدیدی در درمان سرطان، نانو ذرات مغناطیسی در بیو سیالات می توانند بعنوان حامل های دارو یا تشعشع باشند.
- نانو ذرات مغناطیسی توان بیشتری را نسبت میکرو ذرات از میدان مغناطیسی AC پایدار در بدن انسان جذب می کند
- نانو ذرات چسبندگی بهتری به سلولهای سرطانی دارند تا سلولهای سالم. و...
● مولدهای برق
● نیروهای با توان بالا
● نانو سرامیک ها: سرامیک های نانو، سرامیک هایی هستند که اندازه دانه یا اجزای سازنده آنها در حد نانومتر است. سرامیک های نانو ساختار مستحکم تر و انعطاف پذیرتر از سرامیک های میکرو ساختار هستند.
این سرامیک ها به دلیل برخورداری از ویژگی های منحصر به فرد، در بسیاری از صنایع به عنوان مثال صنایع شیمیایی، صنایع الکترونیک و مخابرات از اجزای مهم محسوب می شوند.
● در سیستم های نانو الکترومکانیکی (MEMS): ابعاد نانومتری این سیستم ها باعث می شود که همه جا قابل استفاده بوده و به راحتی جایگزین شوند و به همین دلیل انرژی مصرفی فوق العاده کمی دارند و دقت بسیار زیادی نسبت به سیستم های معمول دارند.
1-6 روشهای ذخیره انرژی1-6-1 ذخیره انرژی به صورت مکانیکی این سیستم شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره توان آبی پمپ شده، ذخیره انرژی هوای فشرده شده و چرخ طیار می‌شود. ذخیره در زمانی که توان مورد نیاز کم می‌باشد، صورت می‌گیرد و در زمان احتیاج، از آن بهره برداری می‌شود.
1-6-2 ذخیره الکتریکیانرژی الکتریکی از طریق باتری ذخیره می‌شود. باتری با اتصال به منبع الکتریکی مستقیم شارژ می‌شود و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی آن به الکتریکی تبدیل می‌شود. کاربرد باتری در زمان افت توان و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله توربین بادی یا فوتو ولتائیک می‌باشد. عمومی‌ترین نوع باتری‌های ذخیره سرب و می‌باشد.
1-6-3 ذخیره انرژی حرارتی
ذخیره انرژی حرارتی به صورت تغییر در انرژی درونی مواد به شکل محسوس، نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از آنها می‌باشد. شکل (1-6) دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی را نشان می‌دهد.
1-6-3-1 ذخیره گرمای محسوسانرژی به وسیله افزایش دما در جامد یا مایع ذخیره می‌شود. مقدار ذخیره گرمایی به گرمای ویژه، تغییر دما و مقدار ماده بستگی دارد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد برای این نوع ذخیره است. روغنها، نمکهای مذاب و فلزات مایع از دیگر موارد استفاده می‌باشند.
1-6-3-2 ذخیره گرمای نهاناین نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق تغییر فاز از جامد به مایع یا مایع به گاز یا برعکس انجام می‌شود.
1-6-3-3 ذخیره انرژی ترموشیمیایی
این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق شکست و تغییر شکل پیوند مولکولی در واکنش شیمیایی کاملاً برگشت پذیر انجام می‌شود. مقدار ماده، نوع واکنش و میزان تغییر، بر گرمای ذخیره شده تأثیر مستقیم دارند.
در میان تکنیک‌های ذخیره گرمایی گفته شده، ذخیره انرژی به شکل نهان به دلیل چگالی بالای ذخیره انرژی و مشخصه‌های آن در ذخیره گرما در دمای ثابت به دلیل تغییر فاز، روشی قابل قبول تر می‌باشد. تغییر فاز می‌تواند به شکل: جامد ـ جامد، جامد ـ مایع، جامد ـ گاز، مایع ـ گاز و برعکس باشد. در تغییر فاز جامد ـ جامد، گرما در تغییر از یک نوع کریستال به نوع دیگر ذخیره می‌شود. این تغییرات عموماً انرژی نهان کم و تغییر حجم کوچکی نسبت به تغییر فاز جامد ـ مایع دارند. مهمترین مواد در این نوع تغییر فاز، محلول جامد آلی پنتا اریتول (323= انرژی نهان و188= نقطه ذوب)، پنتا گلیسرین (216= انرژی نهان و81= نقطه ذوب)، سولفات لیتیم (214= انرژی نهان و 578= نقطه ذوب) و(135= انرژی نهان و 196= نقطه ذوب) می‌باشد.
551815126365ذخیره انرژی حرارتی
00ذخیره انرژی حرارتی

4609465321945009042403124200025330153124200089471531242000279019014097000
365696588265شیمیایی
00شیمیایی
77089078740گرمایی
00گرمایی

2990215319405گرمای شیمیا یی خط لوله
00گرمای شیمیا یی خط لوله
4609465361950012757153619500
2995295241300گرمای واکنش
00گرمای واکنش
429514069850001532890365760گرمای نهان
00گرمای نهان
337820365760گرمای محسوس
00گرمای محسوس
7708902133600018853152133600077089021336000
3004820162560پمپ گرمایی
00پمپ گرمایی
4295140293370004295140-19050023901403035300065659030289500
4161790229235جامد - جامد
00جامد - جامد
344741586360002999740238760مایع - گاز
00مایع - گاز
1919605238760جامد - مایع
00جامد - مایع
21139158636000487616586360003228340838200021139158636000875665227330جامدات
00جامدات
418465850900012376158445500151765237490مایعات
00مایعات
4184658445500
شکل 1-1 دیدگاه کلی ذخیره انرژی حرارتی
تغییر فاز جامد ـ گاز و مایع ـ گاز دارای گرمای نهان بیشتری هستند ولیکن تغییر فاز جامد ـ مایع به دلیل تغییر حجم کمتر در خلال تغییر فاز، کاربرد بیشتری نسبت به جامد ـ گاز دارد. انتقال انرژی گرمایی در هنگام تغییر فاز از جامد به مایع و یا بالعکس صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده در دمای تقریباً ثابتی در تغییر فاز، گرما جذب و یا آزاد می‌کنند. این مواد مقدار انرژی بیشتری (4 تا 5 برابر) نسبت به مواد ذخیره انرژی محسوس، ذخیره می‌کنند.
مواد تغییر فاز دهنده به تنهایی برای انتقال گرما کافی نیستند، برای استفاده از این مواد به یک مبدل حرارتی بین منبع و ماده تغییر فاز دهنده نیاز است. این موضوع به علت پایین بودن ضریب پخش مواد تغییر فاز دهنده است.
1-7 ویژگیهای سیستم ذخیره نهانهر سیستم ذخیره نهان حداقل بایستی سه مؤلفه زیر را دارا باشد:
مواد تغییر فاز دهنده مناسب با نقطه ذوب معین در رنج دمایی مطلوب
سطح انتقال حرارت مناسب
محفظه مناسب سازگار با مواد تغییر فاز دهنده
1-8 ویژگیهای مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده مورد استفاده در طرح ذخیره حرارتی بایستی دارای خواص شیمیایی، جنبشی و ترموفیزیکی مناسبی باشد که در زیر به آن اشاره می‌شود:
خواص حرارتی:
دمای تغییر فاز مناسب با توجه به نوع کاربرد
گرمای نهان بالا
ضریب انتقال حرارت خوب
خواص فیزیکی:
تعادل فازی مطلوب
چگالی بالا
پایین بودن تغییر حجم
فشار بخار پایین
خواص جنبشی:
عدم فوق تبرید
نرخ کریستالیزه شدن مناسب
خواص شیمیایی:
پایداری شیمیایی
سازگاری با ساختار مواد
غیر سمی
غیر قابل اشتعال
ویژگی‌های اقتصادی:
در دسترس بودن
هزینه پایین
1-9 معرفی مواد تغییر فاز (PCM)
PCM ها حالت خاصی از جامد - مایع ها نامیده می شوند و محلول هایی می باشند که برای کنترل حرارت به کار می روند. این مواد به دلیل اینکه گرمای نهان در حالت انتقال جامد به جامد و یا مایع به مایع خیلی کمتر از گرمای نهان در حالت جامد به مایع (ذوب) می باشند، در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته اند.
1-10 دسته‌بندی مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به سه دسته آلی، غیرآلی و اوتکتیک تقسیم‌بندی می‌شوند (شکل1-2).
1-10-1 مواد تغییر فاز دهنده آلی
مواد آلی به دو دسته پارافین ها و غیرپارافین ها تقسیم بندی شده‌اند. مواد آلی دارای ذوب متجانس (همگون)، تشکیل دهنده هسته و همچنین برای موادی که به عنوان پوشش آنها به کار می‌روند خورنده نیستند. مواد تغییر فاز دهنده آلی که برای گرمایش و سرمایش ساختمانها به کار می‌روند دارای نقطه ذوب 32-20 درجه سانتی‌گراد هستند.
485140208915مواد تغییر فاز دهنده
00مواد تغییر فاز دهنده
3304540109220ترکیبات پارافین
00ترکیبات پارافین
1932940385445آلی
00آلی
26187403187700095186519494500
3304540189865ترکیبات غیر پارافین
00ترکیبات غیر پارافین
26187402279650095186510414000
3342640299720هیدرات های نمک
00هیدرات های نمک

95186533718500264731511366500951865332740001951990161290غیر آلی
00غیر آلی
3342640380365فلزات
00فلزات

26473151841500
3314065189865آلی -آلی
00آلی -آلی
264731536131500
3314065118745غیر آلی – غیر آلی
00غیر آلی – غیر آلی
2647315290195001961515137795اوتکتیک
00اوتکتیک
96139030924500
332359047625آلی – غیر آلی
00آلی – غیر آلی
26473155715000
شکل 1-2 دستهبندی مواد تغییر فاز دهنده
1-10-1-1 پارافینهاپارافین شامل ترکیبی از زنجیره مستقیم است. کریستالیزه شدن این زنجیره باعث آزاد شدن مقدار زیادی گرمای نهان می‌شود. با افزایش طول زنجیره، نقطه ذوب و گرمای نهان افزایش می‌یابد. پارافین به دلیل قابل دسترس بودن در محدوده وسیعی از دمای ذوب، یکی از بهترین انتخابها به عنوان مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی است. به علت ملاحظات اقتصادی، فقط پارافین‌های با خلوص صنعتی، قابلیت استفاده به عنوان مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای ذخیره گرمایی نهان را دارند. پارافین ایمن، قابل اطمینان، قابل پیش‌بینی، غیر خورنده و دارای هزینه کمتری می‌باشد. پارافین در دمای کمتر از500 درجه سانتی‌گراد، از نظر شیمیایی خنثی و پایدار است، تغییرات حجم کمی در ذوب و فشار بخار پایینی در حالت ذوب دارد. پارافین‌ها به دلیل خواصی که در بالا گفته شد، معمولاً دارای سیکل انجماد ـ ذوب طولانی هستند. علاوه بر خواص فوق، ذوب متجانس و تشکیل دهنده هسته، دو ویژگی مهم پارافین‌ها می‌باشد. از اشکالات پارافین می‌توان به ضریب رسانش پایین، کمی اشتعال‌پذیر و ناسازگاری با محفظه پلاستیکی اشاره کرد، این اشکالات با کمی تغییر در واکس پارافین و واحد ذخیره برطرف می‌شود. در جدول (1-1) لیستی از پارافین های منتخب با نقطه ذوب و گرمای نهان ارائه شده است. پارافین‌ها از نظر پیشنهاد برای طرحها به سه دسته (I) خوب، (II) متوسط، (III) ضعیف دستهبندی شده‌اند.

دانلود پایان نامه ارشد- مقاله تحقیق

 برای دانلود فایل کامل به سایت منبع مراجعه کنید  : homatez.com

یا برای دیدن قسمت های دیگر این موضوع در سایت ما کلمه کلیدی را وارد کنید :

 

جدول 1-1 نقطه ذوب و گرمای نهان پارافین‌ها

1-10-1-2 غیر پارافین‌هاغیرپارافین‌های آلی شامل تعداد بیشماری مواد با خواص متغیر هستند. برخی محققین، تحقیق وسیعی برروی مواد آلی انجام داده‌اند و سرانجام تعدادی از استرها، اسیدهای چرب، الکل و گلیکول را برای ذخیره انرژی مناسب دانستند. برخی خصوصیات این مواد عبارتند از: گرمای نهان بالا، اشتعال‌پذیر، ضریب رسانش پایین، نقطه اشتعال پایین، مقدار سمی بودن مختلف و ناسازگاری در دماهای بالا. جدول (1-2) برخی از غیرپارافین‌های آلی را ارائه کرده است.
جدول 1-2- نقطه ذوب و گرمای نهان غیر پارافین‌ها

1-10-2 مواد تغییر فاز دهنده غیرآلیموادمواد غیرآلی به هیدراتهای نمک و فلزات تقسیم بندی می‌شوند. ترکیبات غیرآلی گرمای نهان بالایی در واحد جرم و حجم دارند، از نظر هزینه، ارزان قیمت هستند و در مقایسه با ترکیبات آلی اشتعال ناپذیرند. به هر حال این مواد دارای مشکلات تجزیه و فوق تبرید (که برروی خواص تغییر فاز تأثیر دارند) می‌باشند.
1-10-2-1 هیدراتهای نمکفرمول عمومی هیدراتهای نمک به صورت می‌باشد. انتقال فاز جامدـ مایع هیدراتهای نمک، در واقع آب زدایی از این ماده است. هیدراتهای نمک گروه بسیار مهمی از مواد تغییر فاز دهنده هستند که دارای خصوصیات زیر می‌باشند: گرمای نهان بالا در واحد حجم، رسانش حرارتی نسبتاً بالا، تغییرات کم حجم در هنگام ذوب، کمی سمی، ذوب متجانس، اختلاف چگالی آب و ماده ترکیبی با آن (که باعث ته‌نشین شدن در انتهای محفظه می‌شود) و تشکیل هسته ضعیف که باعث فوق تبرید می‌شود. جدول (1-3) لیستی از هیدراتهای نمک را ارائه می‌کند.
1-10-2-2 فلزاتاین دسته از مواد شامل فلزات با ذوب پایین و فلزات اوتکتیک می‌شود. این فلزات به دلیل مشکل وزن، در تکنولوژی مواد تغییر فاز دهنده چندان جدی گرفته نشده‌اند. گرمای نهان بالا در واحد حجم و رسانش حرارتی بالا از خصوصیات این مواد است. در جدول (1-4) لیستی از این مواد ارائه شده است.
1-10-3 اوتکتیکهااوتکتیک ترکیبی از دو یا چند عنصر با حداقل ذوب می‌باشد. اوتکتیکها تقریباً همیشه بدون آنکه تجزیه شوند فرآیند ذوب و انجماد را طی می‌کنند. جدول (1-5) لیستی از اوتکتیکها را ارائه می‌کند.
1-11 کپسوله کردن مواد تغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده به دو روش کپسوله می‌شوند: ماکرو کپسوله و میکرو کپسوله. در روش اول مواد تغییر فاز دهنده در لوله، کیسه، کره، صفحات و یا اجزای ساختمان بسته‌بندی می‌شود. ماکرو کپسوله‌ها دارای معایب، خرابی، نیاز به محافظت، ضریب انتقال حرارت ضعیف در حالت جامد و هزینه بالا می‌باشند. در روش دوم ذرات ریز مواد تغییر فاز دهنده با فیلم پلیمری با وزن مولکولی بالا (که بایستی سازگار با ساختار ماده ومواد تغییر فاز دهنده باشد) مخلوط می‌شود. میکرو کپسوله‌ها معایب ماکرو کپسوله‌ها را تا حد زیادی بر طرف کرده‌اند.
جدول 1-3- نقطه ذوب و گرمای نهان هیدراتهای نمک
118745-19685
00

جدول 1-4- نقطه ذوب و گرمای نهان فلزات
جدول 1-5- نقطه ذوب و گرمای نهان اوتکتیکها

1-12 سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی1-12-1 سیستم‌های گرمایش آب خورشیدیآب در طول روز توسط انرژی خورشیدی به دست آمده از طریق کلکتور گرم می‌شود، گرما از آب به مواد تغییر فاز دهنده منتقل شده و از جامد به مایع تغییر فاز می‌دهد. در ساعاتی که خورشید وجود ندارد، گرمای ذخیره شده در مواد تغییر فاز دهنده به آب منتقل و از مایع به جامد تغییر فاز می‌دهد.
1-13 کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانکاربرد مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان دو هدف عمده را دنبال می‌کند:
استفاده از گرمای طبیعی ( انرژی خورشیدی) به منظور گرمایش در شب زمستانی و سرمایش در شب تابستانی
استفاده از منابع گرمایی یا سرمایی ساخت بشر
سه راه مختلف برای استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای گرمایش یا سرمایش ساختمان عبارتند از:
مواد تغییر فاز دهنده در دیوارهای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در دیگر اجزای ساختمان
مواد تغییر فاز دهنده در واحدهای ذخیره سرما و گرما
دو سیستم غیر فعال اول، گرما یا سرما ذخیره شده را وقتی که دمای داخل یا خارج بیشتر یا کمتر از نقطه ذوب می‌شود، به صورت خود به خود آزاد می‌کند. در سیستم سوم که گرما یا سرمای ذخیره شده به صورت کاملا ایزوله از ساختمان نگهداری می‌شوند، سیستمی فعال است. بنابراین در این سیستم فقط از گرما یا سرمای ذخیره شده مورد نیاز استفاده می‌شود (برخلاف دو سیستم قبلی که به شکل خود به خود و اتوماتیک استفاده می‌شد). با توجه به مکان ونوع وسیله مواد تغییر فاز دهنده به کاربرده شده، از مواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب مطلوب استفاده می‌شود. بازار برای مواد تغییر فاز دهنده تجاری مورد نیاز در محدوده نقطه ذوب 25-5 درجه سانتی‌گراد دچار کمبود است، خصوصاً بین محدوده دمایی 20-15 درجه سانتی گراد که محصولات آنتالپی پایینی دارند. اغلب مواد تغییر فاز دهنده اصلی در محدوده 25-22 درجه سانتیگراد هستند که مورد قبول متخصصان در سیستمهای غیرفعال در ساختمان است.
1-14 کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در دیگر زمینه هاکاربرد در زمینه مواد غذایی
حفظ دمای غذا در فاصله بین تولید و سرو کردن، از مشکلات عمده تولیدکنندگان مواد غذایی است که کاربرد مواد تغییر فاز دهنده در این زمینه مشکلات عمده حفظ دمای غذا را تا لحظه تحویل حل می‌نماید.
کاربرد در زمینه پزشکی- دارویی
در روزهای گرم تابستانی، هنگامی که ذخیره خون در بیمارستان به شدت کاهش می‌یابد، خیلی از بیمارستانها نیاز به تهیه خون از بانکهای خون دوردست دارند. در حال حاضر انتقال خونهای مورد نیاز توسط سیستمهای بسیار مجهز و پیچیده‌ای که باعث ایجاد حفظ دمای خون در محدوده خاصی می‌شوند، حمل‌ونقل می‌شوند. قیمت تمام شده این سیستم بسیار بالا می‌باشد و در صورت یخ ‌زدگی یا گرمایش بیش از حد، خون فاسد و غیرقابل استفاده می‌شود. با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده با محدود کردن دمای خون در محدوده مجاز، می‌توان با هزینه کم عمل انتقال خون از بانک به بیمارستان را صورت داد.
خنک‌سازی کامپیوترهای لپ‌تاپ
خنک‌سازی فضای داخلی کلاه‌کاسکت
کاربردهای فضایی در خارج جو زمین
1-15 تکنیکهای افزایش کارایی سیستم ذخیرهساز انرژیبمنظور ارتقای کیفیت یک سیستم ذخیره انرژی، تکنیکهای متنوع و گوناگونی مورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیکها عبارتند از:
استفاده از سطوح گسترش یافته (نصب فین)
استفاده از شبکهای از PCMها (چند PCM)
افزایش هدایت حرارتی PCM
میکروکپسوله کردن PCM
1-15-1 استفاده از سطوح گسترش یافتهفینها، سطوح گسترش تافتهای هستند که برای مهیا کردن سطح اضافه برای تبادل حرارت در سیستمهای حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند. پیش از آنکه به بحث پیرامون اثر استفاده از فین در سیستمهای ذخیره کننده انرژی بپردازیم، لازم است این نکته یادآوری شود که اساساً دو نوع سیستم ذخیرهساز از این منظر مطرح میباشد. در یک نوع از سیستمها، تبادل انرژی میان محفظه حاوی PCM و یک سیال انتقال دهنده انرژی که به اختصار HTF نامیده میشود، صورت میگیرد مانند سیستمهای ذخیره ساز انرژی خورشیدی. اما نوع دیگر مربوط به سیستمهای فاقد سیال تبادل کننده انرژی بوده و در واقع منبع انرژی شرایط مرزی خاص در دیواره محفظه میباشد (دیوار دما ثابت یا شار ثابت)، مانند محفظه سرمایش سیستمهای الکتریکی. طبیعتاً در سیستمهای نوع دوم (فاقد HTF)، فین در سمت PCM نصب میگردد ولی برای سیستمهای نوع اول (حاوی PCM)، محل نصب فین عموماً به ضریب انتقال حرارت وابسته است. در اکثر سیستمها، سمت حاوی PCM دارای ضریب انتقال حرارت کمتر از سمت HTF بوده و بهمین دلیل عموماً فینها در سمت PCM نصب میگردد.
1-15-2 استفاده از شبکهای از PCMها در سیستمبکارگیری تعدادی PCM با خصوصیات نزدیک بهم در سیستمهای ذخیرهساز انرژی بعنوان تکنیک جالب توجهی برای ارتقای این سیستمها مطرح میباشد. اساس این تکنیک استفاده از چند PCM با دمای تغییر فاز متفاوت بطور همزمان و بصورت مجزا از هم در سیستم میباشد. همانطور که میدانیم، نرخ انتقال حرارت در سیستم و در نتیجه کارایی سیستم قویاً وابسته به اختلاف دمای سیال انتقال دهنده حرارت (HTF) و نقطه ذوب PCM میباشد. از آنجایی که این اختلاف دما در جهت جریان کاهش مییابد، در سیستمهای حاوی یک PCM، نرخ انتقال حرارت و راندمان سیستم با کاهش روبهروست. حال اگر از چند PCM و با ترتیب خاص در سیستم استفاده شود، این آرایش PCMها میتواند منجر به اختلاف دمایی تقریباً ثابت در جهت جریان گردد (هر چند دمای HTF در جهت جریان تغییر میکند)، که این خود منجر به انتقال حرارتی تقریباً ثابت PCM میگردد. همچنین انتقال حرارت ثابت از PCM به HTF نیز در این آرایش امکانپذیر میباشد. (شکل1-3) چیدمان اساساً بنحوی اعمال میگردد که اختلاف دمای HTF و PCM در جهت جریان تقریباً ثابت بماند، لذا در حین مرحله شارژ، همانگونه که در شکل نشان داده شده است، چیدمان PCMها در جهت کاهشی برای نقطه ذوب PCMهاست. که طبیعتاً در مرحله دشارژ جهت عکس بمنظور بهرهمند شدن از این ویژگی سیستم باید انتخاب گردد.

شکل1-3- سیستمهای حاوی چند PCM1-15-3 افزایش هدایت حرارتی PCMاگرچه PCMهای مرسوم معمولاً دارای دانسیته بالایی هستند، اما نرخ پایین ذوب و انجماد، پتانسیل سیستمهای ذخیرهساز انرژی را در کاربردهای خاص کاهش میدهد. علت این امر آنست که تقریباً همه PCMهای مرسوم و متداول دارای هدایت حرارتی پایین میباشند. اساساً هدایت حرارتی PCMها میتواند با بکارگیری مواد با ضریب هدایت بالا، افزایش یابد. این افزایش ضریب هدایت حرارتی با افزودن مواد با هدایت بالا به روشهای مختلفی میتواند صورت پذیرد. این روشها عبارتند از:
اشباع سازی مواد متخلخل با هدایت حرارتی بالا در PCM
پخش نمودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در PCM
جاسازی ترکیبات و ساختارهای فلزی در PCM
استفاده از مواد با ضریب هدایت بالا و دانسیته پایین
استفاده از کامپوزیت گرافیتی در PCM اگرچه منجر به افزایش کارایی سیستم میشود ولی به نوبه خود دارای محدودیتهایی است که پژوهشگران را بر آن داشت که بدنبال راه حلهای دیگری نیز باشد. این محدودیتها مربوط به پروسه تولید این کامپوزیتهای گرافیتی است که زمانبر و نیز هزینهبر میباشد. از اینرو بعضی از محققین در چند سال اخیر به دنبال راه حلی برای این مشکل بودهاند. آنها دریافتند که با افزودن ذرات با هدایت حرارتی بالا در مقیاس میکرو و نانو در PCM، خواص ترمودینامیکی PCM ارتقا یافته و منجر به افزایش راندمان سیستم میشود. که در این پژوهش به بررسی این اثر پرداخته شده است. جاسازی ساختار فلزی در محفظه PCM بعنوان تکنیکی برای افزایش هدایت حرارتی ماده تغییر فاز دهنده مطرح میباشد. در این تکنیک از یک کره فلزی و یا لوله استوانهای (و یا سایر اشکال) استفاده شده و با قرار دادن آن در محفظه PCM مشاهده میگردد که زمان تغییر فاز به طرز چشمگیری کاهش مییابد و در نتیجه بازده سیستم افزایش قابل توجهی خواهد یافت (شکل1-4). ذرات و ترکیبات فلزی بعات دانسیته بالا ممکن است به پایین سیستم تهنشین شده و نیز موجب افزایش قابل توجه وزن سیستم میشود. علاوه بر آن، تحقیقات محققین نشان داده است که همه فلزات با کلیه PCMها سازگار نیستند. بعنوان مثال، ذرات آلومینیوم با پارافین سازگار بوده، در حالی که نیکل با پارافین سازگاری ندارد. همین مسائل موجب گردید که محققان بدنبال موادی با دانسیته پایین و هدایت حرارتی بالا باشند که با همه PCMها سازگار باشد.
از آنجایی که دانسیته فیبرهای کربنی از فلزات کمتر بوده و هدایت حرارتی آن تقریباً معادل هدایت حرارتی مس و آلومینیوم است، استفاده از آن بعنوان راهحلی جالب توجه برای افزایش کارایی سیستم ذخیرهکننده انرژی پیشنهاد میگردد. علاوه بر آن فیبرهای کربنی دارای مقاومت به خوردگی بوده و در نتیجه قابلیت سازگاری با اکثر PCMها را دارا میباشد. نکته حائز اهمبت در استفاده از فیبرهای کربنی در سیستم، توزیع یکنواخت ذرات فیبر کربن میباشد. مطالعات نشان میدهد سیستمهایی که در آن ذرات فیبر کربن بصورت یکنواخت در PCM توزیع شده، کارایی به مراتب بیشتری نسبت به حالتی که توزیع، تصادفی و غیریکنواخت باشد از خود نشان میدهد.

شکل1-4- ساختارهای فلزی مورد استفاده در سیستم ذخیرهسازی انرژی1-15-4 میکروکپسوله کردن PCMیکی از راهها برای افزایش نرخ انتقال حرارت بین PCMو چشمه یا چاه حرارتی، استفاده از PCMهای کپسوله شده میباشد. همانگونه که از اسم این مواد پیداست، PCMهای میکروکپسوله در واقع PCMهایی هستند که به حالت مایع یا جامد ودر ابعاد میکرو توسط پوسته و غشای نازکی محصور گشته است. این پوستهها میتواند از جنس بسیاری از مواد از جمله پلیمرهای طبیعی و مصنوعی باشد. میکروکپسوله کردن PCMها میتواند از دو طریق شیمیایی مانند روش تودهای، و فیزیکی مانند روش اسپری خشک انجام پذیرد. (شکل1-5) میکروکپسولههای بدست آمده از روشهای حرارتی کارایی و عملکرد بهتری نسبت به PCMهای رایج از خود نشان میدهند. علت این امر آنست که ذرات کوچک PCM در این حالت سطح انتقال حرارت بیشتری در واحد حجم و در نتیجه نرخ انتقال حرارت بیشتری دارند. علاوه بر این، PCMهای میکروکپسوله شده خواص ممتاز دیگری را نیز دارا میباشند که آن، واکنشپذیری بسیار پایین PCM با مواد جداره محفظه و توانایی تحمل تغییر حجم در خلال تغییر فاز میباشد

شکل1-5: نمونهای از میکروکپسوله PCM، (a) روش اسپری خشک، (b) روش تودهای279409525000
فصل دومپیشینه موضوع و تعریف مسئله330208445500
2-1- مقدمهدر این فصل ابتدا به معرفی روشهای حل جریان نانوسیال و معرفی عدد نادسن به عنوان معیاری برای تشخیص پیوسته و یا ناپیوسته بودن نانوسیال معرفی میگردد. سپس به بررسی پارامترهای مختلف بر انتقال حرارت در نانوسیالات و معرفی انواع نانو ذرات می پردازیم. در ادامه به معرفی روش‌های عددی مدلسازی جریان نانوسیال همراه با مروری بر تحقیقات تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پرداخته خواهد شد. سپس تحقیقات انجام شده در زمینه مواد تغییر فاز دهنده در سیستمهای مختلف انرژی به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در پایان مسئله مورد بررسی در این تحقیق تشریح می گردد.
2-2- روشهای مدلسازی جریان نانوسیالبطور کل جریان سیالات را به دو صورت لاگرانژی و اویلری می توان حل نمود. در حل اویلری سیال پیوسته در نظر گرفته شده و در نتیجه معادلات پیوستگی و ناویر- استوکس در آن حاکم میباشد. در این حالت میتوان محیط را به حجمهای کنترل ماکروسکوپی فرضی تقسیم نمود که خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل ثابت فرض شده و از هر حجم کنترل به حجم کنترل دیگر تغییر میکند. بنابراین معادلات پیوستگی و ممنتوم ناویراستوکس در هر حجم کنترل صادق میباشد. در این حالت به دلیل نوسانات کم ملکولی خواص مکانیکی و ترمودینامیکی سیال در هر حجم کنترل به صورت میانگین خواص ملکولهای آن حجم کنترل تعریف میشود. به عبارت دیگر برای برقراری فرض پیوستگی نوسانات میکروسکوپی یا ملکولی سیال نباید مهمتر از مقادیر متوسطگیری شده باشند. بنابراین حجم کنترل فرضی باید به اندازهی کافی بزرگ باشد تا بتوان نوسانات میکروسکوپی را نادیده گرفت و از طرفی باید به اندازهی کافی کوچک باشد تا از تغییرات ماکروسکوپی خارج نشود (شکل 2-1). در شکل (2-1) در حجم کنترل مشخص شده بدلیل محدود بودن نوسانات مولکولی در حجم کنترل، میتوان سیال را پیوسته در نظر گرفت.
شکل 2-1- نمونهای از حجم کنترل (ناحیه سایهدار) که در آن فرض پیوستگی برقرار است
در حل لاگرانژی به دلیل نوسانات زیاد ملکولی سیال نمیتوان محیط را پیوسته در نظر گرفت در این حالت نمیتوان یک حجم کنترل فرضی که متشکل از هزاران ملکول سیال است در نظر گرفت بلکه هر ملکول خواص مکانیکی و ترمودینامیکی جداگانه ای دارد و در نتیجه معادلات باید برای هر ملکول بطور جداگانه نوشته شود. به عبارتی هر ملکول یک حجم کنترل بوده و بنابراین باید معادلات را برای هر ملکول حل نمود. بدیهی است که حل معادلات پیوستگی (حل اویلری) بسیار سادهتر از حل ملکولی (حل لاگرانژی) است. به عنوان مثال برای جریان هوا درون یک کانال در مقیاس ماکروسکوپی برای حالتی که سرعت ماکروسکوپی از 0 تا m/s1 تغییر میکند، می توان جریان را موازی با محور کانال فرض کرد اما در این حالت سرعت ملکولهای سیال از مرتبهی km/s1 است که در هر جهتی ممکن است باشد.
هر حجم کنترل در حالت ماکروسکوپی شامل هزاران ملکول سیال است. در این حالت برای هر حجم کنترل فقط یک دسته معادله پیوستگی، ممنتوم و انرژی استفاده خواهد شد اما در حالت میکروسکوپی برای حل جریان به تعداد ملکولهای سیال معادلات پیوستگی، ممنتوم و انرژی نیاز است. با افزایش تعداد معادلات قدرت رایانه مورد نیاز برای حل و همین طور زمان محاسبه بالا میرود بطوریکه حل میکروسکوپی با استفاده از روشهای CFD هزینه و تکنولوژی بالایی نیاز دارد و نیازمند ابر رایانههای بسیار پرقدرتی میباشد. هر چند روشهای جدیدی مانند LBM بوجود آمدند که قادر به حل میکروسکوپی جریان میباشند اما این روشها هنوز دارای نواقص زیادی هستند و توانایی حل بسیاری از جریانها را ندارند.
برای تشخیص پیوسته یا ناپیوسته بودن جریان معیاری به نام عدد نادسن وجود دارد که به صورت زیر تعریف میشود:
(2-1)
در عبارت فوق، متوسط فاصله بین ملکولهای سیال و طول مشخصهی هندسه مورد تحلیل است. رژیم جریان بر اساس عدد نادسن به چهار دسته تقسیم خواهد شد. این چهار دسته عبارتند از:
1- برای ، در این حالت جریان پیوسته بوده و شرط مرزی عدم لغزش برقرار میباشد. در این حالت استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد
2- برای ، در این حالت نیز جریان پیوسته بوده اما شرط مرزی عدم لغزش برقرار نیست و جریان از نوع جریان لغزشی میباشد. در این حالت نیز استفاده از معادلات ناویراستوکس قابل قبول میباشد.
3- برای ، در این حالت جریان از نوع جریان انتقالی میباشد. در این نوع از جریانها استفاده از معادلات ناویراستوکس چندان قابل قبول نبوده و دارای خطا میباشد. هر چند برخوردهای بین مولکولی سیال هنوز چندان قابل اغماض نبوده و باید به حساب آید.
4- برای ، در این حالت جریان یک جریان مولکولی است. در این حالت برخوردهای بین مولکولی سیال در مقایسه با برخوردهای بین ملکولهای سیال و دیواره ناچیز است.
در شکل (2-2) مدلهای جریان مربوط به عدد نادسن بطور خلاصه ارائه گردیده است.

شکل 2-2- رژیمهای جریان گاز بر پایهی عدد نادسن.2-3- منطق وجودی نانو سیالاتبررسی دقیق خصوصیات گرمایی همه مایعات خنک کننده ای که امروزه به عنوان سیال انتقال گرما استفاده می شوند، رسانایی گرمایی ضعیفی را نشان می دهند (بجز فلزات مایع که در اکثر محدوده های دمایی قابل استفاده نیستند). برای مثال آب در هدایت گرمایی 3 بار ضعیفتر از مس است مشخص است که همه تلاشها برای افزایش انتقال گرما بوسیله آشفته سازی، افزایش سطح و...، بوسیله محدودیت های ذاتی رسانایی گرمایی محدود می شود.
بنابراین می تواند منطقی باشد که تلاشهایی برای افزایش رفتار رسانایی گرمایی سیالات خنک کننده انجام شود. استفاده از مخلوطهایی معلق از جامدها یکی از راههایی است که بیش از یک قرن گذشته به ذهن آمده است. ماکسول ]1[ پایه گذار این زمینه بود که تئوری پایه را برای محاسبه رسانایی گرمایی موثر مخلوط های معلق ارائه داد. تلاشهای او بوسیله مطالعات تجربی و تئوری زیادی مانند کارهای همیلتون و کراسر ]2[ و واسپ ]3[، پیکری شد. این مدلها برای پیش بینی رسانایی گرمایی تعلیق ها بسیار خوب کار می کنند. با این حال، همه این مطالعات به تعلیق ذرات در ابعاد میکرو و میلی محدود می شوند، و یک چنین تعلیق هایی نارساییهای زیر را بدنبال دارند:
1- ذرات به سرعت نشست می کنند، تشکیل لایه ای بر روی سطح می دهند و ظرفیت انتقال حرارت سیال را کاهش می دهند.
2- اگر نرخ چرخش سیال افزایش یابد، ته نشین شدن کاهش می یابد ولی خوردگی ابزارهای انتقال گرما، لوله ها و... به سرعت افزایش می یابد.
3- با اندازه بزرگ ذرات تمایل به گرفتگی در مسیر جریان کانال افزایش می یابد.
4- افت فشار در سیال بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.
بنابراین مسیر بوجود آمدن ذرات معلق درون سیال به خوبی مشخص شد ولی در کل گزینه قابل قبولی برای کاربردهای انتقال گرما نمی باشد. تکنولوژی مواد جدید فرصتی را فراهم کرده است تا ذراتی در ابعاد نانومتری را تولید کنیم که کاملاً درخصوصیات اپتیکی، الکتریکی، گرمایی و مکانیکی با مواد اولیه متفاوت هستند.
تا اینکه ابتدا ماسودا و همکاران [4] و سپس چویی همکارانش [5] ایده نانوسیال را برای اولین بار مطرح نمودند و انقلاب بزرگی در زمینه انتقال حرارت در سیالات پدید آوردند. به منظور افزایش انتقال گرمای جابجایی، محققان ذرات در ابعاد نانو (ذرات جامد کوچکتر از nm100) را به سیال اضافه کردند.
این تکنیک افزایش قبلاً با میکروذرات معلق در سیال برای افزایش انتقال گرما در میکرو و میلی کانالها استفاده شده است. نانو ذرات نسبت سطح به حجم 1000 برابر بزرگتر از میکرو ذرات دارند و گرما را بسیار مؤثرتر می توانند انتقال دهند. چویی و همکارانش [5] نشان دادند که اضافه کردن نانو ذرات، به سیال پایه می تواند نرخ انتقال گرمای سیال را 2 برابر کند، زیرا این ذرات رسانایی گرمایی بیشتری نسبت به سیال پایه دارند. چیزی که باعث جذابیت نانو ذرات به عنوان کاندید احتمالی برای درست کردن مخلوطی از ذره ها با سیالات می شود، این است که آنها مساحت سطح زیادی دارند، مومنتم ذرات کم است، و قابلیت حرکت بالایی دارند.
وقتی ذرات بطور مناسب پخش شده باشند، این خصوصیات نانو سیالات انتظار می رود که برتری های زیر را داشته باشد:
1) رسانایی گرمایی بالاتر: مساحت سطح بیشتر نانو ذرات اجازه انتقال گرمای بیشتری را می دهد. ذرات ریزتر از nm20، 20% اتم های خود را بر روی سطح خود دارند، که آنها را هر لحظه برای تبادل حرارت در دسترس دارند. مزیت دیگر در حرکت بودن ذرات است که می تواند منتسب به اندازه ریز آنها باشد، که می تواند میکرو جابجایی هایی را بوجود آورند و در نتیجه انتقال گرما افزایش یابد [6].
2) پایداری: از آنجائیکه ذرات ریز هستند وزن کمتری دارند و احتمال ته نشین شدن کمتر می شود. همین کاهش ته نشینی باعث غلبه بر یکی از ضعفهای اصلی مخلوط های معلق می شود (رسوب کردن ذرات) و نانو سیالات را پایدارتر می کند.
3) خنک کاری میکرو کانالها بدون گرفتگی: نانو سیالات تنها یک محیط بهتر برای انتقال گرمای معمول نیستند، آنها همچنین برای کاربردهای میکرو کانال در جائیکه با بارهای گرمایی بالایی مواجه هستند، مناسب هستند. ترکیب میکرو کانالها و نانو سیالات هم سیالی بار رسانایی بالا و هم سطح انتقال گرمای بزرگتری را فراهم می کند. نانو ذرات، که فقط چند صد یا چند هزار اتم هستند، بسیار کوچکتر از میکرو کانالها بود ه و باعث گرفتگی نمی شوند.
4) کاهش احتمال خوردگی: نانو ذرات بسیار ریز هستند و ممنتمی که می توانند به یک دیوار صلب وارد کنند بسیار کمتر است. این ممتنم کاهش یافته شانس خوردگی اجزا را کاهش می دهد مانند مبدلهای حرارتی و خطوط لوله ها و پمپ ها.
نانو ذرات مورد استفاده به سه دسته تقسیم می شوند، ذرات سرامیکی، ذرات فلزی خالص و نانو لولهای کربنی، که در ادامه بطور مفصل در مورد ان بحث می کنیم.
ترکیبات مختلف این نانو ذرات و سیال هایی شامل آب، اتیلن گلیکول، روغنها و تولوئن نانو سیالات مختلفی را به ما می دهد.
2-4- پارامترهای انتقال حرارت در نانوسیالاتافزایش انتقال حرارت در نانوسیالات به پارامترهای زیادی بستگی دارد که در این بخش هرکـدام از آنها بطور مختصر توضیح داده خواهد شد .
2-4-1- انباشتگی ذراتنانوذرات در اثر نیروهای بین ملکولی مانند نیروی واندروالس تمایل به انباشتگی دارند [7]. کارتیکین و همکاران [8] آزمایشهای تجربی روی مخلوط اکسید مس-آب انجام دادند و نشان دادند که اندازه و خوشه شدن نانوذرات اثر مهمی روی رسانش حرارتی نانوسیال دارند. همچنین آنها نشان دادند که انباشتگی نانوذرات به زمان بستگی دارد و با گذشت زمان انباشتگی آنها افزایش مییابد در نتیجه رسانش حرارتی در نانوسیال کاهش مییابد. شکل (2-3) نشان میدهد که رسانش حرارتی در نانوسیال با افزایش زمان شدیدا کاهش مییابد و همچنین در شکل (2-4) انباشتگی نانوسیال با گذشت زمان به صورت میکروسکوپی نشان داده شده است. آنها نشان دادند که در این فاصله زمانی هیچگونه تهنشینی در نانوسیال اتفاق نیفتاده است. گروهی دیگر از دانشمندان نشان دادند که با افزایش مقدار نانوذرات جامد میزان انباشتگی به دلیل بزرگ شدن تودههای نانوذرات و در نتیجه افزایش نیروهای واندروالس، افزایش مییابد. وانگ و همکاران [9] ویسکوزیتهی مخلوط آلومینیوم – آب را اندازه گیری کرده و نشان داده اند که با افزایش انباشتگی نانوذرات ویسکوزیته نانوسیال نیز افزایش مییابد.

شکل 2-3- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به زمان برای مخلوط آب اکسید مس [8].
شکل 2-4- افزایش انباشتگی نانوذرات باافزایش زمان برای مخلوط آب اکسیدمس (1/0=) الف) 20 دقیقه ب) 60 دقیقه ج) 70 دقیقه [8]2-4-2- نسبت حجمی ذرات نانوضریب رسانش حرارتی نانوسیال با افزایش نسبت حجمی نانوذرات افزایش مییابد [8] شکل (2-5). اما افزایش زیاد ذرات نانو به سیال باعث تهنشینی ذرات نانو میشود. به همین دلیل هر چه نسبت ذرات نانو به سیال کمتر باشد، نانوسیال مطلوبتر خواهد بود [10].

شکل 2-5- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی نسبت به نسبت حجمی ذرات نانو [10]2-4-3- حرکت براونیحرکت براونی (حرکت تصادفی ذرات نانو در سیال) نیز یکی دیگر از عوامل موثر بر افزایش ضریب رسانش حرارتی موثر در نانوسیال است [11و12]. هر چه اندازهی نانوذرات کوچکتر باشد حرکت براونی آنها افزایش مییابد و در نتیجه ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد و همینطور با افزایش اندازه نانوذرات حرکت براونی کاهش مییابد [13].
2-4-4- ترموفورسیسمولکولهایی که در محیط گرمتر قرار دارند بدلیل بالا بودن انرژی مومنتم بالاتر، با مولکولهای مجاور برخورد میکنند. این امر موجب حرکت مولکولها از محیط گرمتر به محیط سردتر و در نتیجه افزایش انتقال حرارت میشود. به این پدیده ترموفورسیس میگویند.
2-4-5- اندازه نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که با کاهش اندازه نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش مییابد [12]. این افزایش ضریب رسانش حرارتی به دلیل افزایش حرکت براونی نانوذرات و همچنین کاهش رسوب آنها میباشد [13].
2-4-6- شکل نانوذراتتحقیقات نشان دادهاند که هر چه شکل نانوذرات چند وجهیتر باشد، ضریب رسانش حرارتی آن بیشتر است [14]. دلیل این امر افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات میباشد. هر چه این نسبت بزرگتر باشد ضریب رسانش حرارتی موثر بیشتر میباشد. شکل (2-6) نشان میدهد که ضریب رسانش حرارتی موثر مخلوط آب-اکسید آلومنیم با افزایش وجههای نانوذرات از کروی به شش وجهی، افزایش مییابد.

شکل 2-6- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به نسبت حجمی و اشکال متفاوت نانوذرات برای مخلوط آب - اکسید آلومنیم [14].2-4-7- ضخامت لایه سیال بین ذرات نانولایه سیال پیرامون ذرات نانو در نانوسیال نیز به افزایش انتقال حرارت کمک میکند. هر چند ضخامت و رسانش حرارتی این لایه ملکولی سیال هنوز مشخص نیست اما شکل لایههای ملکولی سیال محصور بین نانوذرات جامد توسط یو و همکاران [15] مشخص شده است. رن و همکاران [16] یک مدل تئوری برای مطالعه تغییرات رسانش حرارتی موثر نسبت به ملکولهای سیال پیرامون ذرات نانو ارائه کردند. آنها نشان دادند که با افزایش ضخامت لایه سیال ضریب رسانش حرارتی نیز افزایش مییابد (شکل 2-7-الف). کبلینسکی و همکاران [17] نیز روی اثر لایه سیال پیرامون نانوذرات بر ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال تحقیقاتی انجام دادند. آنها نیز نشان دادند که با افزایش لایه سیال پیرامون نانوذرات ضریب رسانش حرارتی موثر افزایش مییابد (شکل 2-7-ب). در این اشکال، d بیان کننده ضخامت لایه سیال و rp بیان کننده شعاع نانوذرات است. شکل نشان میدهند که با افزایش لایه سیال اطراف نانوذرات و یا کاهش شعاع ذرات نانو ضریب رسانش حرارتی افزایش مییابد.

الف) ب)
شکل 2-7- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به ضخامت لایه سیال پیرامون نانوذرات [16 و 17].2-4-8- دماضریب رسانش حرارتی موثر و حرکت براونی نانوسیال با دما افزایش مییابد. چوی و همکاران [12] با انجام آزمایش تجربی روی مخلوط آلومینیوم–آب چگونگی تغییرات ضریب رسانش حرارتی با دما را نشان دادند. شکل (2-8) نشان میدهد که با افزایش دمای نانوسیال ضریب رسانش حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه افزایش مییابد.

شکل 2-8- نمودار تغییرات ضریب رسانش حرارتی موثر نسبت به دما برای مخلوط آلومینیوم–آب [12]2-5- انواع نانو ذراتنانو ذرات به سه دسته نانو سیالات سرامیکی، نانو سیالات فلزی و نانو سیالات حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمری تقسیم می شود که به اختصار به معرفی آنها پرداخته می شود.
2-5-1- نانو سیالات سرامیکینانو سیالات سرامیکی اولین نوعی بود که توسط گروه ANL ساخته شد. اولین تحقیق در این زمینه اندازه گیری رسانایی سیالاتی بود که شامل ذرات AL2O3و Cuo در آب و اتیلن گلیکول بودند ]18[. آنها از درصد حجمی %5-1 استفاده کردند و مشاهد شد وقتی اتیلن گلیکول استفاده می شود یک افزایش 20% با نسبت حجمی 4% CuO بدست می آید، افزایش رسانایی وقتی از آب استفاده شد کمتر بود یک افزایش 12% با نسبت حجمی 5/3% CuO.
مدل ماکسول اصلی به صورت زیر است ]1[:
(2-2)
در هر دو مدل، Keff: رسانایی گرمایی مؤثر، Kf: رسانایی گرمایی سیال، Ks: رسانایی گرمایی ذرات جامد، n: فاکتور ضریب شکل (برای کره 3 و برای سیلندر 6) و نسبت حجمی نانو ذرات.
ژی و همکارانش ]19[ رسانایی گرمایی نانو سیال شامل Al2o3با ذرات ریزتر از (nm2/3- 2/1) را اندازه گیری کردند. آنها علاوه بر اثر سیال پایه اثر اندازه ذره را نیز دیدند. بنابراین مشخص شد که ذرات اکسید سرامیکی که خود رسانایی گرمایی بالایی ندارند، می توانند باعث افزایش رسانایی گرمایی نانو سیالات شوند. دلیل اصلی که باعث شده تحقیقات زیادی درباره نانوسیالات با ذرات اکسیدی انجام شود در دسترس بودن آنهاست.
مورشد و همکاران [20]، به بررسی اثر شکل هندسی ذرات نانوی TiO2 در سیال پایهی آب روی ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال پرداختند. در این کار از ذرات نانو به شکل کروی با قطر nm15 و به شکل غیر کروی با ابعاد nm10× 40 استفاده کردند. مشاهدات نشان میدهد که حدود 33 درصد برای ذرات غیر کروی و 30 درصد برای ذرات کروی، ضریب رسانش حرارتی موثر نانوسیال افزایش یافته است.
2-5-2- نانو سیالات فلزیبا اینکه پتانسیل نانو سیالات در افزایش انتقال حرارت از همان نانو سیالات همراه با ذرات سرامیکی مشخص بود، ولی با این حال نانو سیالات با پایه ذرات فلزی قدم بزرگی روبه جلو بود.
ایستمن و همکارانش ]21[ یک افزایش 40% رسانایی با نسبت حجمی 3/0% با ذرات nm10 مس معلق در اتیلن گلیکول را گزارش داد این گزارش به روشنی اثر ذرات را نشان می دهد و پتانسیل نانو ذرات با ذرات کوچکتر را نشان می داد.
پاتل و همکارانش ]22[ برای اولین بار از طلا و نقره برای ساختن نانو سیال در سیال پایه آب استفاده کردند. آنها همچنین از یک شیوه سیم داغ برای اندازه گیری رسانایی گرمایی استفاده کردند. مهمترین مشاهده آنها در این مطالعه افزایش قابل توجه رسانایی گرمایی برای مقادیر ناچیز غلظت ذرات بود.
ژی و همکارانش ]23[ مطالعه ای بر روی وابستگی رسانایی گرمایی مخلوط سیال- نانو ذره با سیال پایه را آغاز کردند. این محققان اثر پخش شدگی Al2O3 - را در آب یونیزه، گلیسرول و مخلوط آب روغن پمپ، مخلوط آب- اتیلن گلیکول را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که نرخ رسانایی گرمایی با افزایش رسانایی گرمایی سیال پایه کاهش می یابد.
2-5-3- نانو سیالات، حاوی نانو لوله های کربنی و پلیمریبزرگترین افزایش در رسانایی گرمایی توسط چوی و همکارانش ]24[ ارائه گردید، که یک افزایش 50% در رسانایی گرمایی با 1% نسبت حجمی نانو لوله ها را نشان می دهد. دو عامل در افزایش غیرعادی رسانایی گرمایی مهمتر به نظر می آید. اول، رسانایی گرمایی نانو لوله های کربنی بسیار بالا است (w/m.k 3000). دوم، نانو لوله ها نسبت طول به عرض() بسیار زیادی دارند. ژی و همکارانش ]25[ رسانایی گرمایی MWCNT با قطر متوسط nm15در اتیلن گلیکول اندازه گرفتند، مشاهده شد که افزایش بیشتری برای نسبت حجمی مشابه در سیال که رسانایی گرمایی کمتری دارد بوجود می آید.
2-6- نظریه هایی بر نانو سیالات
2-6-1- روابط تئوری ارائه شده در زمینه ضریب رسانش حرارتی موثرنانوسیالتاکنون تلاشهای زیادی برای پی بردن به علت افزایش زیاد رسانایی گرمایی نانو سیالات انجام شده است. از حرکت ساده براونی گرفته تا مدلهای پیچیده. در طول سالهای گذشته تلاشها شدت بیشتری پیدا کرده است ولی هنوز به نظر می رسد که به نتیجه مطلوب نرسیده باشند. ماکسول برای اولین بار [1]، رابطهای برای ضریب رسانش حرارتی موثر برای مخلوط ذرات معلق در ابعاد میکرو در سیال ارائه کرد که این رابطه در ابعاد نانو نیز بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، البته این رابطه بسیار ساده بوده و تنها برای اثر نسبت حجمی نانوسیال در ضریب رسانش حرارتی موثر برای ذرات نانو کروی در نظر گرفته شده است. مدل ماکسول برای رسانایی گرمایی مخلوط جامد – سیال با ذرات نسبتاً بزرگ و درصد حجمی پایین ذرات بسیار مناسب است. رابطه آن به صورت زیر است[1]:
(2-3)
فرمول ماکسول نشان می دهد که رسانایی گرمایی مؤثر به رسانایی گرمایی ذرات کروی، سیال پایه و نسبت حجمی ذرات جامد بستگی دارد.
همیلتون و کروسر [2]، رابطهی ماکسول را کامل نموده و رابطه ای برای رسانش حرارتی ارائه نمودند که در آن علاوه بر اثر نسبت حجمی نانوذرات، اثر شکل و اندازه ی آن ها نیز در نظر گرفته شده است..