بخشی از مقاله
چکیده:
در پژوهش حاضر، عملکرد یک نوع گردآور لوله خلأ از نوع ترموسیفون با سه سیال عامل آب و دو نانوسیال آب -مس و آب-نقره و سه قطر رایزر مختلف در دو شار حرارتی خورشیدی 400 و 600 وات بر مترمربع بصورت عددی بررسی و مقایسه شده است. هدف از این تحقیق، بررسی تأثیر قطر رایزر و نوع سیال عامل بر عملکرد این نوع گردآورها بوده است. معادلات بقای جرم و اندازه حرکت خطی و انرژی با در نظر گرفتن اثرات نیروی شناوری و تقریب باسینسک و با استفاده از نرم¬افزار فلوئنت برای هر حالت حل شدند.
نتایج با داده¬های تجربی یکی از گردآورها همخوانی بسیار خوبی داشت و خطایی کمتر از دو درصد مشاهده شد. پارامترهایی نظیر دبی و دمای آب ورودی به مخزن ذخیره و توزیع فشار و دما در طول رایزرهای گردآورها تعیین و مقایسه شدند. نتایج بدست آمده نشان داد که با افزایش قطر رایزرها و با استفاده از نانوسیال ها می توان عملکرد این نوع گردآورها را تا حد قابل توجهی بهبود بخشید. همچنین، سیال نانونقره در مقایسه با نانومس برتری چندانی نداشت و با توجه به قیمت کمتر نانوسیال آب-مس بهتر است از آن در این نوع گردآورها استفاده شود.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر مطالعات بسیاری برروی اصلاح عملکرد گردآورهای خورشیدی محوری تحت خلأ و جایگزینی آنها با گردآورهای تخت صفحهای صورت گرفته است تا دستیابی به حالت بهینه این نوع گردآورها تحقق یابد.در دهه80 میلادی، بیشتر مطالعات روی بهبود عملکرد گردآورهای تحت خلأ محوری با آزمایش بر روی این اجزا صورت گرفت که بهترین عامل برای تغییر عملکرد انواع مدل گردآورها مربوط به طراحی بهینه اتصالات، چیدمان لولههای گردآور و نیز انتقال حرارت در این لولهها بوده است.
در دهه 90 میلادی، پیوستگی اجزا و نیز محاسبات بر روی راندمان مورد مطالعه قرار گرفت. در دهه حاضر نیز بیشترین تحقیقات در زمینه این گردآورها به تحلیل عملکرد آنها از طریق شبیهسازی و مدلسازی معطوف میباشد.مطالعات مفصلی تاکنون روی سیستمهای خورشیدی انجام شده است. . لانسینگ، معیار انتقال حرارت یک گردآورخورشیدی لولهای و تأثیر الگوی جریان بازگشتی بر عملکرد گردآور را بررسی کرده است
نتایج حاصل از این تحلیل، صرفاً تعریف نرخ گرمای گردآوری شده و توزیع دمایی در هر سطح مقطع نبوده و به پیشبینی حداکثر دمای قابل دستیابی در نرخ صفر سیال میپردازد. آزادوهمکاران، مطالعه تجربی راجع به جمعکننده خورشیدی لوله گرمایی محوری انجام دادند.
موریسن و همکارانش، آبگرمکنهای خورشیدی با لوله-های تحت خلأ را مورد بررسی قرار دادند.[3] که طی آن، حرکت چرخشی جریان طبیعی در محدوده ابتدا و انتهای لولهها به طور عددی بررسی گردید. فاکائو و اولیویرا، انتقال حرارت جریان آرام را در یک مجرای مستطیلی منحنی با کد دینامیک محاسباتی سیالات بررسی کردهاند.
انتقال حرارت جابجایی و جریان در یک کانال منحنی مستطیلی مدل شده و ضریب انتقال حرارت ارزیابی شده است، در این کار از نرمافزار Fluent استفاده شده است. ثئونیسن و بکمن، به بررسی مشخصات گسیلندگی خورشیدی گردآورهای لوله-ای تحت خلأ با بازتابنده تابش پراکنده در پشت گردآور، پرداختند..
آزاد، تحلیلی از بررسی تئوری عملکرد گردآور لوله گرمایی محوری، انجام داده است . او بر اساس تحلیل شبکه ای لوله گرمایی نتایجی را به دست آورد و با نتایج مرجع[2] مقایسه نمود. نتایج حاصله تطابق خوبی داشتند.ساتو و اسکالون و پادیلها، تحلیلی عددی از یک جمعکننده خورشیدی تحت خلأ با لولههای بهینه شده، انجام دادند.
آنها دریافتند که دو مدل بهینه شده اختلاف دمای کمتری را نسبت به حالت معمول به دست میدهند . بودی هرجو و موریسن، 8 از شبیه سازی جریان طبیعی و نیز آزمایشهای تجربی گردآورهای لولهای تحت خلأ،کاهش حساسیت اندازه منبع ذخیره در گردآورهای نوع خلأ نسبت به نوع تخت صفحهای را مشاهده نمودند. سنثیلکومار و همکاران[9] ، از بررسی عملکرد لوله گرمایی با استفاده از محلول مایعn-pentanol با درجه انحرافهای متفاوت به اثبات مناسب بودن این محلول آبی به عنوان سیال عامل برای لوله های گرمایی را گزارش دادند
مرجع10] یک مطالعه ی آزمایشگاهی از عملکرد گرمایی سامانه آبگرمکن با گردآورخورشیدی لولهای هممرکز تحت خلأ با استفاده از لوله گرمایی با شیار محوری تحت شرایط اقلیمی جینجو - jinju - در کره جنوبی ارائه می نماید. کیم و سیا، عملکرد حرارتی لولههای جاذب در گردآورهای تحت خلأ با آرایشهای متفاوت را مورد مطالعه قرار دادند[11]تا الگوی بهینه برای این لولهها تعیین شود، همچنین آنها به بررسی عواملی چون سایه لولههای مجاور روی هر لوله و نیز فاصله بین لولهها پرداختند.
بنابراین باتوجه به کارهای انجام شده در مورد گردآورهای خورشیدی لولهای تحت خلأ که در بخش قبل بدانها اشاره شد، مشخص میشود که اکثر تلاشهای انجام شده در راستای افزایش راندمان از طریق مطالعه پارامتریک برروی مشخصات هندسی لوله و مشخصات فیزیکی سیال انجام شده است. در این پژوهش، اثر قطر رایزر و نوع نانو سیال بر عملکرد یک گردآور خورشیدی تحت خلأ که در ادبیات فنی بررسی نشده، با استفاده از شبیهسازی عددی تحلیل می شود.
-2 تعریف مسأله و مدل های گردآور مورد مطالعه
در این تحقیق عملکرد سه گردآور لوله خلأ از نوع T با شیب 45 درجه و با مشخصات ارائه شده در جدول 1 بصورت عددی و در شرایط خاص از نظر تابش خورشیدی 400 - و 600 وات بر مترمربع - و سه نوع سیال عامل، بررسی میشود. سیالات عامل مورد بررسی در این گردآورها عبارتند از آب، نانوسیال آب- مس و نانو سیال آب-نقره. مساحت این گردآورها با یکدیگر برابر فرض شده اما تعداد رایزرها و قطر آنها در هر حالت متفاوت است.
جدول:1مشخصات کلی 3 مدل گردآور در کار حاضر
-1-2 فرضیات
برای شبیهسازی عددی جریان سیال و انتقال حرارت در گردآور ×های مورد نظر فرضیات ساده کنندهای لازم است که در کار حاضر به شرح زیر میباشند:
· خواص سیال از قبیل ویسکوریته و ضریب هدایت حرارتی مطابق با جدول - 2 - تابع خطی از دما در نظر گرفته میشوند. سایر خواص مثل ظرفیت گرمایی و ضریب انبساط حرارتی ثابت فرض میشوند.
جدول :2 تابعیت خطی خواص سیال از دما
· سیال آب تراکم ناپذیر فرض میشود اما اثر تغییر دما بر تغییر دانسیته و ایجاد پدیده ترموسیفون در معادلات حاکم لحاظ میشود.
· مساحت سطح گردآوردر همه حالتها یکسان فرض میشود.
· محاسبات در هر حالت برای دو شار حرارتی خورشیدی ثابت 400 و 600 وات بر مترمربع و به مدت تابش 3 ساعت انجام میگیرد.
· تقریب باسینسک برای نیروی شناوری در معادلات اندازه حرکت سیال در نظر گرفته میشود.
· رژیم جریان آرام فرض میشود.
· جریان سیال سه بعدی و غیرماندگار فرض میشود.
· سیال داخل گردآور آب مقطر فرض میشود.
2-2 معادلات حاکم
معادلات حاکم بر حرکت سیال و انتقال حرارت در سیال داخل گردآورها همان معادلات بقای جرم، اندازه حرکت و انرژی هستند. با توجه به فرضیات در نظر گرفته شده در بخش قبل، این معادلات به شرح زیر میباشند:
که در آن اثرات نیروی شناوری بصورت یک ترم چشمه در معادلات اندازه حرکت و بر اساس تقریب باسینسک، لحاظ شده است. این فرض در بسیاری از مواقع که سیال تراکم ناپذیر باشد قابل قبول است.
در تمامی شبیهسازیهای انجام شده در این مطالعه، معادلات با روش متوالی و با استفاده از الگوریتم SIMPLEحل شدهاند. تأثیر جاذبه زمین هم در نظر گرفته شده است. به منظور گسستهسازی معادلات حاکم به روش حجم محدود در تمامی آنالیزهای انجام شده، از روش Quickبرای پیدا کردن جوابهایی با دقت بهتر استفاده شده است. ضرایب زیر تخفیف مومنتوم برابر با 0/7 ، انرژی برابر با 1 و فشار برابر با 0/3 در نظر گرفته شد. در روش استاندارد میانیابی فشار در معادلات گسسته مومنتم، با تعریف در معادله کلی گسسته-سازی جمله فشار، معادله مومنتم در جهت x را میتوان به صورت زیر نوشت:
در این معادله مقادیر فشار در وجوه و شارهای جرمی در وجوه مشخص نیستند و میباید در پروسه حل، آنها را محاسبه نمود. برای این منظور، یک روش میانیابی فشار مورد نیاز است.
