بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به معضلات مربوط به سوخت های فسیلی مانند آلودگی ومحدودیت های دسترسی به آن و از طرف دیگر نیاز روز افزون بشر به انرژی، استفاده از انرژی های تجدید پذیر اجتناب ناپذیر می باشد.کلکتورهای صفحه تخت خورشیدی یکی از ابزار های تبدیل انرژی خورشیدی به حرارت می باشد. امروزه تحقیقات بسیاری برای یافتن راه کارهای افزایش میزان جذب هرچه بهتر انرژی تابشی و انتقال حرارت جذب شده انجام گرفته شده و یکی از روش های پیشنهادی استفاده از نانو سیالات به عنوان سیال عامل می باشد.
با توجه به آن که آزمایشات تجربی هزینه بر و زمان بر می باشند، با استفاده از شبیه سازی عددی امکان هدفمند کردن آزمایشات و بررسی نتایج در زمان کمترکمک شایانی به حیطه بندی کردن کارایی مواد مختلف قبل از پردختن به آزمایشات تجربی می نماید. در این پژوهش ابتدا به بررسی کارایی یک کلکتور صفحه تخت با استفاده از سه نانو سیال اکسید مس و اکسید آلومنیوم و نانولوله کربنی پرداخته شده و در پایان دمای خروجی برای 6 شهر تهران محاسبه شده است.
.1 مقدمه
کلکتور های خورشیدی نوع خاصی از مبدل های حرارتی میباشند که انرژی تابشی خورشید را جذب کرده و آن را تبدیل انرژی مورد نیاز می کنند. یکی از انواع کلکتور های خورشیدی کلکتورهای صفحه تخت می باشند که با وجود آن که دمای خروجی پایین تری ایجاد می نمایند ولیکن دارای مزیت هایی از جمله طراحی ساده و نگهداری آسان و قیمت مناسب می باشند.
محققین جهت بررسی عملکرد این کلکتور ها آزمایشات تجربی و شبیه سازی های مختلفی انجام داده اند. از جمله سوپین و همکارانش یک تحقیق تجربی در رابطه با پوشش صفحات انجام داده اند.گلورا و همکارانش [2] نیز تجزیه و تحلیل هایی بر اساس روش اجزای محدود دوبعدی برای توصیف عملکرد کلکتور های خورشیدی انجام داده اند. کار تحقیقاتی دیگری نیز که شامل بر بررسی های تجربی و عددی سه بعدی میباشد توسط تورگیت و همکارانش [3] برای تعیین متوسط ضرایب انتقال حرارت برای جریان های اجباری هوا بر روی یک صفحه مستطیل تخت انجام شده است . شبیه سازی عددی دیگری توسط سلمی و همکارانش در رابطه کلکتورهای خورشیدی صفحه تختی که در آنها آب جریان داشته است انجام داده اند که درنهایت نتایج به دست آمده از روش های تجربی و شبیه سازی های عددی همخوانی داشتند.
جان جای و همکارنش [5] نیز یک مدل ریاضی توسعه یافته برای شبیه سازی کارایی یک کلکتور خورشیدی با پوشش پلاستیک ارایه کرده اند.
جورج و آرماندو [6] نیز یک مطالعه عددی با استفاده از روش DTRM با کمک نرم افزار فلوئنت انجام داده اند. کانداندو همکارانش [7] نیز از این روش برای شبیه سازی ضرایب انتقال حرارت در بعضی از ساختمان ها استفاده کرده اند.
تا کنون شبیه سازی های عددی متفاوتی در رابطه با سیستم های خورشیدی انجام گردیده ولیکن در این تحقیق بر اساس مدل DO یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت را شبیه سازی شده که از چهار سیال عامل آب ، نانو سیال اکسید مس ، نانو سیال اکسید آلومنیوم و نانو لوله های کربنی بهره برده و نتایج با هم مقایسه شده است.
.2 روابط استفاده شده در شبیه سازی
1 . 2 روابط بخش نانو سیالات
در بخش نانو سیالات روابط و فرمول های متفاوتی بیان شده است. در بخش نانو سیالات برای انجام محاسبات در این پژوهش از روابط ذیل استفاده میگردد
چگالی نانوسیال با استفاده از رابطه پاک و چو [8] قابل محاسبه است.
که در آن چگالی نانوسیال و به ترتیب چگالی سیال پایه و نانوذرات و جزءحجمی نانوذرات - نسبت حجم نانوذرات به حجم کل - است.
خوآن و روتزل[8] با فرض تعادل حرارتی بین ذرات و سیال پایه رابطه زیر را برای محاسبه ظرفیت گرمایی نانوسیال پیشنهاد دادند که در آن ظرفیت گرمایی نانوسیال و به ترتیب ظرفیت گرمایی سیال پایه و نانوذرات است.
رابطه ماکسول-گارنت برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیالها کاربرد دارد :
پاک و چو برای محاسبه لزجت[8]نیز کاربرد دارد:
که در آن لزجت نانوسیال و به ترتیب لزجت سیال پایه است. در جدول خواص ترموفیزیکی برخی سیالات و
نانوذرات متداول مورد استفاده در کلکتورهای خورشیدی جذب مستقیم آمده است.
جدول - : - 1 خواص ترموفیزیکی سیال و نانوذرات
.2.2 معادلات دیفرانسیلی
با مشخص بودن خواص ترموفیزیکی سیال عامل، می توان به حل معادلات حاکم با استفاده از روش های حل عددی پرداخت. مدل عددی توسعه یافته در این تحقیق، مدل ترکیبی شامل معادلات بقای جرم، مومنتم و انرژی است. بدین منظور معادلات بقای جرم، مومنتم وانرژی به صورت همزمان حل شده و علاوه بر تعیین توزیع دمای داخل کلکتور، کارایی آن نیز پیشبینی میگردد.
معادله بقای جرم برای جریان سه بعدی پایای تراکم ناپذیر داخل کلکتور به شکل زیر است :
معادلات بقای مومنتم برای جریان سه بعدی پایای سیال تراکم ناپذیر داخل کلکتور به صورت زیر است:
معادله بقای انرژی برای جریان سه بعدی پایای سیال تراکم ناپذیر ، به شکل نهایی زیر درمی آید:
که در آن چگالی ،C p گرمای ویژه ، K ضریب هدایت حرارتی می باشد
هدف، حل معادله در هندسه کلکتور، به منظور بدست آوردن میدان سرعت، فشار و دما می باشد. فرض میشود که نانوذرات با محیط پیرامون خود دمای یکسانی دارند. نسبت سطح به حجم زیاد این ذرات به انتقال حرارت آنی آنها به محیط پیرامون منجر می شود. همچنین فرض میشود که نانوذرات برای مدت نامحدود در سیال به صورت معلق باقی بمانند و همراه با سیال و با سرعت لغزش ناچیز حرکت میکنند.
3,2. شرایط اولیه و مرزی
شرایط اولیه و مرزی به کار رفته در تحلیل انرژی بدین شرح می باشد که Tin دمای سیال ورودی، Uo سرعت سیال ورودی،St شار خورشیدی برخوردی روی کلکتور و - K - KF +KU ضریب انتقال حرارت مرکب جابجایی و تشعشع با محیط در دمای Tamb و ، J ، g ضرایب عبور و انعکاس شیشه است. Tg دمای سطح بالای شیشه است که از حل معادله هدایت حرارتی در شیشه بدست می آید. به عبارت دیگر، سطح فوقانی شیشه، حرارت را با مکانیزمهای جابجایی و تشعشعی از دست میدهد. در سایر سطوح یعنی پشت و دیواره های کلکتور، شرط مرزی آدیاباتیک در نظر گرفته شده است. درخروج نیز از شرط مرزی فشار نسبی صفر استفاده شده است. شرط مرزی عدم لغزش نیز در دیواره ها لحاظ شده است.
