بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به شبیه سازی سه بعدی جریان و انتقال حرارت در یک کلکتور لوله خلاء خورشیدی با استفاده از نرمافزار فلوئنت پرداخته شده است. با حل معادلات پیوستگی، بقای مومنتوم، بقای انرژی و معادله تابش میدانهای جریان و دما به دست آمدند. برای شبیهسازی انتقال حرارت تابشی از مدل تابشی DO استفاده گردید. مقایسه بین دادههای حاصل از شبیهسازی با نتایج تجربی انطباق خوبی نشان میدهد. نتایج حاصله نشاندهنده افزایش 14 درصدی راندمان کلکتور با دو برابر شدن طول کلکتور است. افزایش قطر کلکتور باعث افزایش ناچیز راندمان حرارتی میگردد. نتایج حاصله از شبیهسازی افزایش راندمان کلکتور به سبب افزایش هدایت حرارتی ماده پرکننده را نشان میدهد.
.1 مقدمه
کلکتورهای خورشیدی قلب سیستمهای حرارتی خورشیدی هستند. کلکتورهای لوله خلاء در مقایسه با کلکتورهای صفحه تخت دارای راندمان بیشتری هستند. از اینرو کلکتورهای صفحه تخت در حال جایگزینی با کلکتورهای لوله خلاء هستند. در چند دهه اخیر محققان زیادی در مورد کلکتورهای لوله خلاء به تحقیق پرداختهاند. محققان شرایط بهینه کاری، نحوه آرایش لولهها، انتقال حرارت در کلکتور و راندمان کلکتورها را مورد بررسی قرار دادهاند. مهمترین مشکل استفاده از کلکتورهای لوله خلاء استخراج حرارت از داخل لوله خلاء است.[1 ] جهت استخراج هرچه بهتر حرارت از داخل لوله کلکتور طرحهای مختلفی ارائه شده است. مهمترین طرحهای ارائه شده شامل کلکتور سیال در شیشه، کلکتور لوله خلاء با لوله گرمایی و کلکتور لوله خلاء با لوله -Uشکل نام برد.
هزینه ساخت پایین و راندمان مناسب کلکتورهای سیال در شیشه باعث استفاده زیاد این نوع کلکتور شده است. در ینا نوع کلکتور لوله خلاء، سیالِ داخل لوله کلکتور پس از افزایش دما توسط تابش خورشیدی به وسیله جابهجایی آزاد از کلکتور خارج میگردد . موریسون و همکاران [1] به صورت تجربی و عددی نرخ گردش در لوله کلکتور لوله خلاء سیال در شیشه بررسی کردند. بوندجهارو و موریسون [2] با استفاده از مدلسازی گذرا راندمان کلکتورهای لوله خلاء سیال در شیشه را بررسی کردند. شاه و فوربو [3] انتقال حرارت کلکتور لوله خلاء سیال در شیشه را با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی فلوئنت بررسی کردند.
از مزایای کلکتورهای لوله خلاء با لوله گرمایی می توان به ضدانجماد بودن، شروع به کار سریع، مقاومت در برابر فشارهای بالا و راحتی نصب و نگهداری اشاره کرد. جعفرکاظمی و همکاران[4] کلکتور لوله خلاء با لوله گرمایی را به صورت تئوری و تجربی مطالعه کردندو گزارش دادند تعداد لوله کمتر و دبی سیال کمتر باعث افزایش دمای سیال خروجی میشود.
کلکتورهای لوله خلاء با لوله -Uشکل طرح تازهای از کلکتورهای لوله خلاء هستند که دارای مزایایی چون ساختار ساده و استحکام بیشتر نسبت به کلکتورهای سیال در شیشه و لوله گرمایی هستند. ساونی1 و همکاران [5] مدلی برای راندمان حرارتی کلکتور لوله خلاء با لوله U شکل متصل به یک جاذب مسطح ارائه کردند. کیم و سئو [6]1 راندمان کلکتور لوله خلاء با چهار شکل مختلف جاذب را به صورت عددی بررسی کردند.
دیاز و همکاران [7] کلکتور خورشیدی لوله خلائی بر اساس میکروکانال ها جهت بهبود انتقال حرارت در لوله جاذب و کاهش اتلاف های حرارتی پیشنهاد دادند. نتایج نشان داد که راندمان کلکتوربهره مند از میکروکانال تقریباً 5 درصد بیشتر از کلکتور U شکل استاندارد است.
ما و همکاران به صورت تئوری راندمان حرارتی کلکتورهای لوله خلاء خورشیدی U شکل را بررسی کردند. ضریب اتلاف حرارتی و فاکتور راندمان حرارتی کلکتور با استفاده از مدل یک بعدی بررسی شدند. همچنین در این بررسی اثر لایه هوای مابین لوله جاذب و پره مسی مطالعه شد. لیانگ4 و همکاران [9] برای حذف اثر مقاومت حرارتی بین لوله جاذب و پره مسی در کلکتورهای خورشیدی لوله خلاء با لولهU شکل، کلکتور خورشیدی لوله خلاء پرشده با لوله U شکل5 را پیشنهاد دادند.
لیانگ و همکاران [10] در سال 2012 راندمان حرارتی کلکتور لوله خلاء پرشده را به صورت تجربی را مطالعه کردند. لیانگ و همکاران [11] راندمان کلکتورهای لوله خلاء پرشده با دو لوله -Uشکل را بررسی کردند و گزارش دادند که راندمان کلکتور لوله خلاء پرشده با دولوله U-شکل4 درصد راندمان بیشتری نسبت به نمونه تک لوله -Uشکل داراست.
مروری بر کارهای انجام شده فقدان شبیهسازی کامل کلکتورهای لوله خلاء -Uشکل را نشان میدهند. شبیه-سازیهای انجام شده تنها به شکل یک بعدی صورت گرفته است. هدف این تحقیق شبیهسازی کامل سه بعدی کلکتورهای لوله خلاء خورشیدی با لوله -Uشکل و بررسی تغییرات طول، قطر و هدایت حرارتی ماده پرکننده است.
.2 تئوری
شکل 1 نمای کلکتور شبیهسازی شده را نشان میدهد. مکانیزم عمل این کلکتور بدین صورت است که تابش خورشیدی پس از عبور از لوله شیشهای خارجی و خلاء مابین دو لوله شیشهای توسط جاذب پوشش داده شده بر روی لوله شیشهای داخلی جذب میشود. سپس این حرارت توسط ماده رسانای حرارتی داخل کلکتور به لوله -Uشکل حاوی سیال سرد منتقل میشود.
مهمترین پارامتر در بیان کارایی یک کلکتور خورشیدی راندمان لحظهای کلکتور - - است. راندمان کلکتور در شرایط پایا به صورت زیر تعریف میشود :
در این رابطه نرخ جریان سیال کاری درون لوله -Uشکل کلکتور ، cp ظرفیت حرارتی، Tin و Tout دمای سیال کاری در ورود و خروج از لوله کلکتور، G مقدار تابش خورشیدی کل و Ac سطح مؤثر کلکتور را نشان میدهد.
شکل -1 نمای طول و عرضی کلکتور لوله خلاء خورشیدی با لوله -Uشکل
.3 معادلات حاکم، ساختار هندسی و شرایط مرزی
جهت شبیهسازی این کلکتور از کد تجاری فلوئنت1 استفاده شده است. معادلات حاکم در حالت پایا با استفاده از الگوریتم SIMPLE و گسستهسازی درجه دوم آپویند2 برای ممنتوم، انرژی، تابش و فشار مورد استفاده قرار گرفت. معادله پیوستگی به صورت زیر مورد استفاده قرار میگیرد . در این معادله k هدایت حرارتی و Sh منبع حرارتی ناشی از تابش خورشیدی است.
کدهای دینامیک سیالات محاسباتی مدلهای مختلفی را برای مدلسازی تابش حرارتی پیشنهاد میدهند. در این تحقیق انتقال حرارت تابشی با استفاده از مدل DO که مناسب برای محیطهای شفاف است، مورد استفاده قرار گرفت. این مدل معادله انتقال تابشی را برای تعدادی از زوایای فضایی متناسب با بردار جهتی s حل میکند.
