بخشی از مقاله
خلاصه
بکارگیری نانوسیالات برای افزایش راندمان تجهیزات خورشیدی، دانشی نوظهور بوده و روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. در این مقاله به بررسی تاثیر نانو سیال اکسید مس به عنوان سیال کاری بر راندمان کلکتور خورشیدی صفحه تخت، پرداخته شده است. در این زمینه کسر حجمی نانو سیال را % 0/1 برای سه دبی مختلف 1 و2 و4 - لیتر بر دقیقه - به طور تجربی، در شرایط محیطی نیمه کویری، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از مقایسه نتایج آزمایش، بین سیال آب و نانوسیال اکسید مس بیانگر این است که در دبی پایین 1 - لیتر بر دقیقه - تغییر زیادی بر راندمان کلکتور خورشیدی مشاهده نمی شود، درحالی که با افزایش دبی و عدد رینولدز، افزایش راندمان کلکتور در نانوسیال اکسید مس، به شکل چشمگیری افزایش می یابد، به گونه ای که در دبی 4 لیتر بر دقیقه، راندمان از حدود %40 به بیش از %60 حاصل می گردد. این مهم بیانگر این است که استفاده از نانو سیال در کلکتور خورشیدی در جریان با رینولدز بالاتر، به مراتب موثرتر بوده و باعث افزایش راندمان قابل توجهی می گردد.
کلمات کلیدی: کلکتور خورشیدی، نانوسیال، بازده کلکتور
1 مقدمه
انرژی خورشیدی به سرعت در تامین انرژی گرمایی مورد نیاز در سراسر دنیا در حال پیشرفت است. در این زمینه آبگرمکن خورشیدی یک تکنولوژی موثر و کارا در زمینه های مورد نیاز است. بگونه ی که میتواند جایگزینی مناسب، در کاربردهای خاص،برای سوخت های فسیلی باشد.. یکی از روشهای نوین جهت بهبود کارایی کلکتورهای خورشیدی، استفاده از نانوسیالات بعنوان سیال کاری میباشد. نانو سیالات دارای ظرفیت گرمایی کمتری نسبت به سیالات کاری دیگر می باشد [1] که این ویژگی باعث افزایش دمای کلکتور، در شرایط یکسان تابش، می گردد. از آنجا که نانو، علمی نو بوده، بنابراین تحقیقات گسترده ای در رابطه با استفاده از نانو سیال در کلکتور های خورشیدی صورت نگرفته است. ازجمله پژوهشها در این زمینه، میتوان به موارد پایین اشاره کرد. ناتارجان و همکارانشان[2] با بکارگیری نانو تیوب کربنی چند دیواره و تولید نانو سیال و پایدارسازی این نانو سیال به میزان مطلوب، به بررسی تغییر هدایت حرارتی نانو سیال نسبت به سیال پایه - آب - پرداخته اند.
آنها به این نتیجه رسیدند که این نانو سیال دارای ضریب هدایت حرارتی بالاتری نسبت به سیال آب می باشد . اگر این نانو سیال درکلکتور خورشیدی بکار برده شود، باعث افزایش کارایی در کلکتور خورشیدی می گردد. هیمانشی تیاگی کارایی کلکتور های جذبی مستقیم حاوی نانو سیال را با کلکتور صفحه تخت مقایسه نمود. او در این کار از نانو سیال حاوی آب به همراه نانو ذرات آلومینیوم استفاده کرد. طبق نتایج ایشان کارایی کلکتور در این مدل، تحت شرایط نرمال تقریبا % 10 از نمونه مشابه در حالت سیال کاری آب بیشتر می باشد. در زمینه های آزمایشگاهی نیز اتانیکار[4] به بررسی تاثیر استفاده از نانوسیالات بر کارایی یک نمونه کلکتور جذبی مستقیم در اندازه میکرو پرداخته است. آنها دریافتند که استفاده از نانوسیالات در حدود 5 درصد در بهبود کارایی این کلکتور تاثیر مثبت دارد.
در زمینه های اقتصادی نیز اتانیکار[5] در سال 2010 بررسی اقتصادی استفاده از نانو سیال در کلکتور خورشیدی انجام داده است . طبق نتایج به دست آمده کلکتور حاوی نانوسیال، کارایی حرارتی بالاتر و نیاز به انرژی کمکی کمتری نسبت به کلکتور در حالت سیال معمولی دارد. در سال 2015 فیضال [6] با استفاده از روش های عددی، کاهش سطوح مورد استفاده در ذخیره کننده انرژی برای نانو سیال های مختلف را مورد مطالعه قرار داده است و نتیجه مطالعات او به این صورت بود که برای نانوسیالات Al2O3، TiO2 ،SiO2 ،CuO، به ترتیب میزان 10232، 8857،8625، 8618 واحد از حجم کلی برای 1000 کلکتور خورشیدی ذخیره می گردد. جباری و همکارانشان[7] نانو سیال اکسید مس با نرخ جرمی یک کیلوگرم بر دقیقه را بررسی کردند و نتایج ایشان راندمان کلکتور خورشیدی را به میزان %21,5 افزایش داده است، همچنین ثابت کرده اند برای هر سیال خاص، مقدار بهینه ای برای دبی جریان وجود دارد که بیشترین مقدار راندمان را نتیجه میدهد. بنابراین استفاده از نانو سیال های فلزی، به دلیل ضرفیت حرارتی کمتر نسبت به آب، باعث افزایش بهره وری کلکتور های خورشیدی می گردد. در این پزوهش هدف بررسی تغییرات راندمان کلکتور خورشیدی صفجه تخت، با استفاده از نانو سیال اکسید مس می باشد . اندازه ذرات نانو استفاده شده در این تحقیق40 نانومتر بوده که با کسر حجمی % 0/1 در سه دبی مختلف 4،2،1 لیتر بر دقیقه مورد آزمایش قرار گرفته است.
.2 آزمایش و پردازش داده ها
در این پژوهش، نانو سیال از ترکیب سیال مبنا با نانو ذره اکسید مس در ابعاد 40 نانومتر و درصد وزنی %0/1 استفاده گردید. بر اساس مطالعات صورت گرفته در نحوه دیسپرژن بهینه نانو ذرهها در سیال مبنا، مشاهده گردید که استفاده از التراسونیک پراب دار بهترین روش ممکن است. در این پژوهش ابتدا ترکیب نانوذره و سیال مبنا - آب - به مدت 2 ساعت در التراسونیک با توان 200 کیلووات قرار داده شد. از آنجایی که استفاده از یک سورفکتانت مناسب[8] میتواند کمک شایانی به کاهش ته نشینی و رسوب نانو ذرهها کند، در این آزمایشات از پلی اتیلن گلیکول استفاده شد. شکل 1 دستگاه التراسونیک و همچنین نانوسیال تولید شده را نشان می دهد.
سیستم کلکتور مورد استفاده بطور شماتیک و واقعی در شکل -2الف و ب نشان داده شده است. آزمایشها در شهر رفسنجان - استان کرمان - با مختصات جغرافیایی 55 o و عرض 30o انجام شده است. برای چرخش سیال در سیکل کلکتور، از یک پمپ الکتریکی استفاده شده است. در سیکل آزمایش همچنین یک مبدل حرارتی نیز تعبیه شده است. از دو سنسور دمایی در نقطه ورودی و خروجی کلکتور برای اندازهگیری دمای سیال ورودی و خروجی استفاده شده است که این اندازه گیری در هر 5 دقیقه صورت گرفته است. در مسیر جریان، پس از پمپ یک دبی سنج برای اندازهگیری دبی جریان بر حسب لیتر بر دقیقه نصب شده است که به کمک یک شیر برای تنظیم دبی جریان استفاده می شود.
طبق پیشنهاد استاندارد SHRAE ، بهتر است آزمایشها در حالت دما ثابت صورت گیرد که بدین منظور مخزن ذخیره آب به عنوان مبدل حرارتی به سیستم کلکتور اضافه گردید - شکل -2الف - . وظیفه این مبدل کمک به ثابت نگه داشتن دمای ورودی به کلکتور در بازه زمانی هر سیکل کاری می باشد . بعد از فراهم کردن شرایط پایا و اندازهگیری پارامترهای لازم برای هر بازه زمانی و آنالیز آنها ، انرژی مفید به صورت زیر محاسبه میشود.
