بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تاثیر قطر لوله بر روي عملکرد حرارتی آب گرمکن هاي لوله خلاء نوع ترموسیفون
چکیده - تاثیر قطر لوله هاي خلاء در عملکرد حرارتی آبگرمکن هاي خورشیدي لوله خلاء نوع ترموسیفون بطور تجربی و عددي مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی هاي اصلی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی صورت گرفته است. در یک مورد و تنها براي یک قطر به منظور سنجش اعتبار نتایج شبیه سازي عددي از آزمایش هاي تجربی نیز استفاده شده است. نتایج آزمایش هاي تجربی نشان داد که نتایج شبیه سازي عددي قابل اعتماد است. در شبیه سازي عددي و با تغییر قطر لوله تاثیر این پارامتر بر روي عملکرد حرارتی بررسی گردید. نتایج نشان می دهند که با افزایش قطر لوله به ازاي یک طول ثابت عملکرد گرمایی لوله هاي خلاء ابتدا تا قطر خاصی افزایش و پس از آن کاهش می یابد. بنابراین این قطر مناسب ترین قطر براي لوله ي داخلی آب گرمکن هاي لوله خلاء نوع ترموسیفون می باشد
کلید واژه- آب گرمکن خورشیدي، ترموسیفون، عملکرد حرارتی ، لوله خلاء
-1 معرفی
آب گرمکن هاي لوله خلاء نوع ترموسیفون رایج ترین نوع از آب گرمکن هاي لوله خلاء می باشند. این نوع از آب گرمکن هاي خورشیدي عملکرد حرارتی بهتري نسبت به سایر انواع دارد و همچنین داراي ساختمانی ساده تر و هزینه هاي ساخت کمتري می باشد.
این آب گرمکن ها از تعدادي لوله ي پر از آب با یک انتهاي بسته تشکیل شده است که بطور مستقیم به یک مخزن استوانه اي افقی وصل شده اند. لوله ي خلاء از دو لوله ي شیشه اي هم مرکز تشکیل شده است که یک انتهاي آنها بسته و انتهاي دیگرشان باز است. فضاي بین این لوله ها را خلاء یا خلاء نسبی تشکیل می دهد. جاذب خورشیدي بر روي سطح خارجی لوله ي داخلی (طرف خلاء) قرار دارد. انتقال حرارت در این آب گرمکن ها بصورت جابجایی طبیعی انجام می گیرد. آب درون لوله در معرض تابش خورشید گرم می شود، چگالیش کاهش می یابد و از نیمه بالایی لوله به سمت بالا و مخزن حرکت می کند و از طرفی آب سرد از مخزن و از نیمه پایینی لوله جایگزین آن می شود. این چرخه ي سیال در شکل 1 نمایش داده شده است.
عملکرد حرارتی لوله هاي خلاء به عوامل مختلفی چون، نوع آب
گرمکن خورشیدي، ابعاد لوله خلاء، فاصله ي بین لوله هاي موازي، استفاده از صفحه ي بازتابنده، فاصله ي این صفحه تا لوله ها، عرض جغرافیایی محل، شرایط آب و هوایی محلی و ...
بستگی دارد.
شکل -1 نحوه سیرکولاسیون سیال درون لوله هاي خلاء و مخزن
لاك و همکارانش [1] مطالعاتی تجربی را بر روي ترموسیفون درون لوله هاي بسته (هر دو انتهاي این لوله ها بسته است) در شرایط جریان لایه اي ارائه کردند. مطالعات او بر تاثیر هندسه
لوله بر روي عملکرد حرارتی آنها متمرکز بود. بر اساس نتایج ارائه شده توسط وي نسبت طول قسمت گرم شونده به قطر لوله و همچنین نسبت طول قسمت گرم شونده به طول قسمت سرد شونده هردو بر روي انتقال حرارت درون لوله ها تاثیر گذار هستند و عدد ناسلت جریان با افزایش نسبت طول قسمت گرم شونده به قطر لوله، کاهش می یابد.
شاه و فوربو [2] عملکرد حرارتی لوله هاي خلاء عمودي را بصورت تئوري مورد بررسی قرار دادند. در یک مطالعه ي دیگر
[3] با استفاده از شبیه سازي عددي انتقال حرارت و ساختار جریان را درون این لوله ها در وضعیت افقی بررسی نمودند. از جمله نتایج آنها کاهش عملکرد حرارتی لوله ها با افزایش طول آنها بود.
بهنیا و موریسون [4] مطالعاتی تجربی و تئوري بر روي آب گرمکن هاي خورشیدي لوله خلاء نوع ترموسیفون انجام دادند. از جمله نتایج مطالعات آنها وجود یک ناحیه ساکن در انتهاي بسته لوله هاي خلاء بلند بود. بر اساس مطالعات بهنیا، موریسون و گا
[5] جریان طبیعی درون لوله ها بسیار کوچک است و زاویه شیب این کلکتورها تاثیر چندانی روي جریان درون لوله ها ندارد. در واقع با کاهش زاویه شیب لوله ها حجم ناحیه ي سرد مخزن که در زیر محل قرار گیري لوله قرار دارد، افزایش می یابد. اما این موضوع تاثیر چندانی بر روي عملکرد حرارتی لوله ها ندارد.
رابطه اي براي جریان جابجایی طبیعی درون لوله هاي خلاء توسط بودیخاردو، بهنیا و موریسون [6] ارائه شده است. این رابطه بر اساس میزان تابش ورودي ، دماي مخزن، زاویه شیب و نسبت ابعادي لوله ها (نسبت طول به قطر لوله) می باشد.
(1)
یک مطالعه ي مقایسه اي نیز توسط ایشان [7] صورت گرفته است. ایشان ادعا کردند که عملکرد حرارتی یک آب گرمکن لوله خلاء با 30 لوله تنها اندکی کمتر از عملکرد حرارتی دو آب گرمکن صفحه تخت در ابعاد مساوي می باشد. آنها همچنین دو رابطه براي تخمین ضریب کلی تلفات حرارتی از لوله هاي خلاء و عملکرد حرارتی آنها ارائه کردند.
(2) (3)
عبدالوحید بدر و همکارانش [8] ضریب کلی تلفات حرارتی از لوله هاي خلاء را بصورت عملی و تئوري اندازه گیري نمودند.
نتایج نشان داد که بیشتر لوله هاي آزمایش شده بر خلاف انتظار داراي مقدار اندکی گاز در فضاي خلاء می باشند که این موضوع خود باعث افزایش میزان تلفات حرارتی لوله ها می گردد.
یک روند کاملا ریاضی توسط تانگ و همکارانش [9] به منظور محاسبه ي دقیق میزان تابش جذب شده توسط یک لوله ي خلاء ارائه شده است. بر اساس نتایج، عوامل مختلفی چون نوع آب گرمکن، ابعاد لوله، فاصله ي بین لوله ها، زاویه شیب، استفاده از صفحه بازتابنده پخشی و ... روي میزان انرژي جذب شده توسط لوله تاثیر گذارند.
با انگیزه طراحی بهتر این گونه آب گرمکن ها ، در این مقاله تلاش شده است که تاثیر قطر لوله بر روي عملکرد حرارتی آنها بصورت تجربی و عددي مورد بررسی قرار گیرد.
-2 معرفی مدل تجربی
از آنجایی که لوله ي خلاء در ابعاد مختلف در دسترس نمی باشد، از شبیه سازي عددي استفاده شده است و در این مقاله هدف از آزمایش هاي عملی تنها محک زدن نتایج شبیه سازي عددي می باشد. در نتیجه نمونه ي آزمایشگاهی باید تا حد امکان به مدل عددي شباهت داشته باشد تا بتوان از نتایج مربوط به این آزمایشات صحت مدل سازي را نیز تایید نمود. از آنجایی که در مدل سازي عددي تنها یک لوله به همراه مقطع مخزن متناسب با آن مش زده شده و در نرم افزار فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است، پس به منظور نزدیکی بیشتر این دو از یک کلکتورهاي لوله خلاء، تنها با 3 عدد لوله استفاده شده است.
مدل آزمایشگاهی ساخته شده در شکل 2 ملاحظه می گردد.
حجم مخزن حدودا 21 لیتر می باشد. انتخاب مخزن با توجه به مطالعات قبلی و با تکیه بر آزمایشات و تحقیقات قبلی انتخاب شده است. در اکثر کارهاي قبلی به ازاي هر لوله خلاء حجمی حدود 7 لیتر بعنوان مخزن در نظر گرفته شده است .[6] بنابراین در این آزمایشات نیز که با 3 لوله انجام می پذیرد از مخزنی 21
لیتري استفاده شده است. تمامی آزمایشات در زاویه شیب 45
درجه انجام گرفته است و با مدل سازي عددي که آن هم در زاویه ي45 درجه صورت گرفته است هم خوانی کامل دارد.
در این آزمایش ها از ترموکوپل هاي نوع K استفاده شده است که خطاي اندازه گیري آنها کمتر از 0/07 درجه سلسیوس می باشد. تعداد 7 ترموکوپل براي اندازه گیري دماي نقاط
مختلف مورد نیاز می باشد که این ترموکوپل ها در بازه ي دمایی اندازه گیري دماي سیال در ارتفاع هاي مختلف درون مخزن
10 الی 80 درجه سلسیوس یعنی در بازه اي که تغییرات دمایی می باشد. ترموکوپل هاي درون مخزن نیز به فاصله ي ثابت 7
سیال عامل رخ می دهد کالیبره شده اند. سانتی متر از یکدیگر قرار گرفته اند و ترموکوپل دوم دقیقا در مرکز مخزن قرار دارد. شماتیک محل قرار گیري ترموکوپل ها درون لوله خلاء و مخزن در شکل 3 مشاهده می گردد. از یک ترموکوپل G) در شکل (3 نیز براي اندازه گیري دماي محیط اطراف استفاده شده است. این ترموکوپل در پشت مخزن قرار گرفته است تا تابش مستقیم انرژي خورشید بر روي دماي خوانده شده توسط آن تاثیر گذار نباشد.
شکل – 2 مدل تجربی ساخته شده
3 عدد از ترموکوپل ها براي اندازه گیري دماي سیال درون لوله خلاء استفاده شده اند ( A ، B و C در شکل .(3 براي نصب این ترموکوپل ها از یک پایه ي سیمی استفاده شده است. به این صورت که یک وزنه نسبتا سنگین که بر اثر نیروي شناوري سیال درون لوله جابجا نشود، انتخاب شده و به انتهاي یک سیم نازك بسته شد. ترموکوپل ها را در موقعیت هاي دلخواه به روي این سیم نصب کرده تا درون لوله آزادانه حرکت نکرده و جریان سیال را مغشوش نکنند سپس به آرامی سیم را درون لوله خلاء وسطی فرو برده تا وزنه در انتهاي بسته ي آن مستقر گردد.
ترموکوپل هاي درون لوله به فاصله ي 50 سانتی متر از یکدیگر نصب شده اند و اولین ترموکوپل C) در شکل (3 در فاصله 5
سانتی متري از ورودي لوله مستقر شده است.
3 عدد از ترموکوپل ها نیز براي اندازه گیري دماي سیال درون مخزن مورد استفاده قرار می گیرند ( D ، E و F در شکل (3 این ترموکوپل ها نیز بر روي یک پایه ي سیمی که در مرکز مخزن بصورت عمودي نصب شده است، وصل شده اند. هدف از این کار
شکل -3 شماتیک مدل تجربی
در ابتداي آزمایش مخزن و لوله ها از طریق لوله ورودي بطور کامل از سیال سرد پر میشوند. در طی این مرحله با پوشش کدري لوله هاي خلاء را پوشانده و از گرم شدن آنها ممانعت می شود تا حتی المقدور شرایط آزمایش با آنچه در مدل سازي عددي تنظیم می شود، هماهنگ باشد. پس از پر شدن مخزن و لوله ها شیر ورودي و خروجی H) و I در شکل (3 هردو بسته شده و در بازه هاي یک ساعته کار داده برداري انجام می گردید.
داده هاي دمایی این هفت نقطه بطور مرتب و در بازه هایی 30 ثانیه اي توسط دستگاه ثبات داده ها ( Lutron BTM-4208
(SD، ثبت و ذخیره شد.
تابش خورشیدي نیز در بازه هاي 5 دقیقه اي توسط یک دستگاه تابش سنج (TES 1333R) در دو حالت مختلف، روي نیمه
بالایی لوله و روي نیمه پایینی آن اندازه گیري شد.
همچنین شایان ذکر است که آزمایش ها در شرایط آب و هوایی بهاري (اسفند، فروردین و اردیبهشت) انجام شده اند. در طول روز میزان وزش باد متوسط بود و آسمان گاه گاهی ابري بود.
3
-3 مدل عددي
مدل سازي انتقال حرارت و جریان سیال درون یک آب گرمکن خورشیدي لوله خلاء واقعی با تعدادي زیادي لوله، به حافظه ي محاسباتی بسیار قدرتمندي نیاز دارد که براي تحقیق پیش رو چنین امکاناتی در دسترس نبود. بنابراین به منظور ساده سازي مسئله تنها یک لوله بهمراه مقطع مخزن متناسب با آن بصورت عددي مورد بررسی قرار گرفت.
همانطور که قبلا نیز بطور کامل شرح داده شد در آب گرمکن هاي خورشیدي نوع لوله خلاء سیال عامل بطور مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. یعنی آب مصرفی وارد مخزن و لوله ها می شود و پس از گرم شدن به مصرف می رسد. اما از آنجایی که مدل سازي عددي یک سیستم باز که تنها شامل یک لوله و مقطع مخزن متناظر باشد و در نهایت حل عددي آن بصورت گذرا بسیار مشکل بوده و زمان مربوط به همگرایی حل مسئله در این شرایط تا چند برابر افزایش می یابد و در نهایت نیز نتایج مطلوب حاصل نمی گردد، از یک سیستم بسته استفاده شده است. براي سنجش دقت و صحت نتایج این مدل از یک سري آزمایش هاي تجربی که بطور کامل در مورد آن صحبت شد، استفاده شده است.
ابعاد لوله و مخزن شبیه سازي شده منطبق بر ابعاد مخزن و لوله ي مورد آزمایش بود. براي مخزن یک استوانه ي افقی با شعاع 14cm و طول 13cm در نظر گرفته شد. براي لوله نیز یک استوانه که قطر آن برابر با قطر لوله ي داخلی لوله هاي خلاء واقعی (قطر لوله ي داخلی 4/5cm و قطر لوله ي خارجی 5/6cm
است) و طول آن نیز برابر با طول لوله خلاء واقعی (یعنی (180cm در نظر گرفته شد.
همانگونه که پیش از این ذکر شد، در این مقاله هدف بررسی تاثیر قطر لوله ها بر روي عملکرد حرارتی آنهاست. براي بررسی تأثیر قطر لوله از یک پارامتر بدون بعد به نام نسبت ابعادي لوله
(نسبت طول به قطر لوله) استفاده شده است. پس براي دستیابی به این منظور قطر لوله را تغییر داده تا نسبت هاي ابعادي مختلف حاصل شوند. مطالعات بر روي نسبت هاي بین 20 الی
70 صورت گرفته است. شایان ذکر است که نسبت ابعادي لوله ي آزمایش هاي تجربی 40 می باشد. دامنه ي حل براي یک لوله با نسبت ابعادي 40 در شکل 4 نمایش داده شده است.
معادلات حاکم (به ترتیب پیوستگی، مومنتوم و انرژي) بر این
مسئله عبارتند از : (4) (5) (6)
که در آن بردار سرعت، فشار، چگالی سیال، ظرفیت حرارتی سیال، دماي محلی سیال و t زمان می باشد.
شکل - 4 دامنه حل مسئله براي یک لوله با نسبت ابعادي 40
نوع الگوریتمی که در حل مسئله بکار گرفته شده است از نوع SIMPLE می باشد. دلیل استفاده از این نوع الگوریتم، همگرایی سریع، کاربرد این نوع از حل درموارد مشابه [3] ونیز تطابق نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی می باشد.
پارامتر موثر در تعیین نوع جریان در سیستم هاي ترموسیفون عدد رایلی می باشد. از آنجایی که براي جریان سیال با پروفیل سرعتی مشابه آنچه در بالا ذکر شد و در لوله هایی که یک انتهاي آنها بسته است، معیاري براي تعیین نوع جریان تا کنون ارائه نشده است، ناچارا به تحقیقات گذشته تکیه می کنیم. در اکثر مقالات مطالعه شده [1,3,6] نوع جریان درون لوله هاي
