بخشی از مقاله
چکیده
درراستای دست یابی به انرژی پاک خورشیدی و بهره وری مفید از این انرژی رایگان، کلکتورخورشیدی لوله خلأ U-Tube یکی از تجهیزاتی می باشد که باهزینه کم، توانایی تولیدحرارت خروجی و راندمان بالایی را دارا می باشد. در این مقاله سعی بر آن است راندمان حرارتی کلکتور در شرایط متفاوت کارکرد مورد بررسی قرار گرفته و با محاسیه انرژی هدر رفت از کلکتور و انرژی مفید انتقال داده شده به سیال عامل، شرایط تأثیرگذار بر راندمان مشخص گردند.
همچنین در این مقاله با استفاده از نانوسیال لوله کربنی چند لایه به جای سیال عامل خالص و جایگزین نمودن سیالاتی با ضرایب انتقال حرارت هدایتی بالاتر - مانندآب، Benzen،-Na - Kallay به جای هوا در فاصله هوایی بین سطح جاذب و پره مسی، راندمان حرارتی کلکتور بررسی می گردد. نتایج حاصل نشان می دهد راندمان حرارتی با جایگزینی سیالات فوق افزایش داشته به نحوی که استفاده از آب با توجه به ضریب هدایت حرارتی آن و حفظ ایمنی بهترین جایگرین هوا بوده و استفاده از نانوسیال کربنی چند لایه راندمان کلکتور را افزایش قابل توجهی خواهد داد.
مقدمه
در دهه های اخیر با در نظر گرفتن محدودیت منابع سوخت فسیلی و هم چنین با توجه به این که استفاده غیر اصولی از سوخت های فسیلی باعث آسیب دیدن محیط زیست می شود، کاربردهای انرژیهای تجدید پذیر از اهمیت ویژه ای برخوردار گشته است. خورشید یکی از منابع انرژی است که علاوه بر تأمین آب سرد و گرم مورد نیاز جهت گرمایش و سرمایش ساختمان ها می تواند انرژی لازم جهت گرمایش فرایند های صنعتی را فراهم نماید.
ایران با وجود این که یکی از کشورهای نفت خیز جهان و دارای منابع عظیم گاز طبیعی نیز می باشد خوشبختانه به علت تابش خورشید در اکثر مناطق کشور، اجرای طرح های خورشیدی مورد توجه قرار گرفته است. امکان استفاده از انرژی خورشیدی در شهرها و روستاهای پراکنده می تواند صرفه جویی مهمی در مصرف سوخت های فسیلی را به همراه داشته باشد. میزان تابش خورشیدی درایران بین 1800 تا 2200 کیلو وات ساعت برمترمربع درسال تخمین زده شده است که البته بالاتر از میزان متوسط جهانی است.
درایران به طور متوسط سالیانه بیش از 280 روزآفتابی گزارش شدهاست که بسیار قابل توجه است. از اینرو از انرژی خورشیدی میتوان به طرق مختلف، مثل تولید برق، گرمایش وسرمایش، تولید آب شیرین، تامین آبگرم مصرفی و... استفاده نمود.[1] روش های گوناگونی برای استفاده از انرژی پاک خورشیدی وجود دارد، اما گرم کردن آب با استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی، به عنوان یکی از آسان ترین و اقتصادی ترین روشها شناخته شدهاست.
زیرا با داشتن دانش کافی در باره تابش خورشید، براحتی و به صورت بسیار موثر میتوان انرژی خورشید را برای گرم کردن آب مصرفی منازل و حتی کاربردهای صنعتی بهکار برد. مهمترین بخش یک سیستم آبگرمکن خورشیدی، کلکتورخورشیدی می باشد که دارای انواع مختلفی است. کلکتور خورشیدی را می توان قلب تپنده هر سامانه گرمایی خورشیدی دانست.
زیرا کلکتور های خورشیدی هستند که انرژی خورشیدی را جذب و پس از تبدیل به انرژی گرمایی، آن را به صورت انرژی مفید و کاربردی برای مصرف نهایی به سامانه خورشیدی تحویل می دهند.[2] به طور کلی کلکتورها می توانند به صورت مسطح - تخت - ، لوله خلأ و یا متمرکز انتخاب شوند. به طور کلی مشخصات کلکتورهای خورشیدی به شرح جدول 1 می باشند:[3]
در خصوص بررسی عملکرد کلکتورهای لوله خلأ تحقیقات متعددی صورت پذیرفته است. Tong و همکارانش[2] یک کلکتور خورشیدی لوله خلا U-Tube با هزینه کم و راندمان بالا را طراحی و اجرا نمود. درطرح وی از یک فین مسی به عنوان انتقال دهنده شار حرارتی به سیال استفاده شد و در شرایط متفاوتی مانند استفاده از سیالات با ضریب هدایت حرارتی بالاتر به جای هوا در فاصله هوایی بین پره مسی و سطح جاذب، عملکرد سیستم بررسی گردید. همچنین با استفاده از نانو سیال بعنوان سیال عامل، نحوه عملکرد کلکتور مورد بررسی قرار گرفت.
Kim و همکارانش[3] با بررسی شرایط کارکرد مقاله فوق الذکر به بررسی جامع تأثیر استفاده از اتواع نانو سیال بر راندمان حرارتی کلکتورهای لوله خلا پرداخت. Abulmajd و همکارانش[4] آنالیز راندمان کلکتور های خورشیدی لوله خلأ U-Tube را ارائه نموده است. Gao و همکارانش [5] مدل ریاضی یک کلکتور لوله خلأ U-Tube را مورد بررسی قرار داد و توزیع دما را در طول لوله با حرکت سیال به صورت طولی و شعاعی را مورد ارزیابی قرار داد.
سیالات متداول حامل انرژی در صنایع معمولا آب، روغن ها و اتیل گلایکول می باشند و از آنجا که ضریب هدایت حرارتی فلزات نسبت به مایعات بسیار بالاتر است انتظار می رود که سیالات حاوی ذرات جامد معلق فلزی یا اکسید فلزی دارای هدایت حرارتی بیشتری نسبت به سیالات خالص باشند. مطالعات مربوط به ذرات مخلوط در سیالات به ده ها سال قبل برمی گردد اما بررسی های انجام شده تا دو دهه اخیر برای ذراتی که دارای اندازه میلیمتری یا میکرومتری بودند، صورت گرفته بود. در این اندازه ها ذرات با مشکل جدی ته نشینی سریع و مسئله سایش در مسیر جریان و افزایش افت فشار رو به رو بودند.
فن آوری جدید نانو تکنولوژی این امکان را فراهم نموده تا بتوان ذراتی با اندازه بسیار کوچک نانومتری تولید و فرآوری کرد. این پیشرفت سبب شد تا درسال 1993 فکر استفاده از نانوذرات فلزی در داخل سیالات حامل انرژی نظیر آب و اتیلن گلایکول ایجادگردد . خواص ترموفیزیکی با افزودن نانوذرات به سیال پایه، مقدارشان تغییر می کند. این خواص شامل چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه می باشند.
به طور کلی افزودن نانو ذرات باعث افزایش این خواص به جز گرمای ویژه می شود که این خاصیت با افزودن نانو ذرات کاهش مییابد. در کار حاضر از نانو سیال لوله کربنی چند لایه - MWCNT - به دلیل خواص خوب حرارتی آن، به عنوان نانو ذره در سیال عامل آب استفاده شده است و همچنین با جایگزین نمودن سیالاتی با ضرایب انتقال حرارت هدایتی بالاتر - مانندآب، Benzen، - Na-Kallay به جای هوا در فاصله هوایی بین سطح جاذب و پره مسی، راندمان حرارتی کلکتور لوله خلا بررسی می گردد.
بیان مساله و معادلات حاکم
در کار حاضر یک کلکتور خورشیدی لوله خلا U-Tube مدل EEUSC شامل دو لوله شیشه ای که ما بین آنها خلأ ایجاد شده است، مورد بررسی عددی قرار گرفته است. لوله خارجی شیشه ای و لوله داخلی دارای یک روکش سطح جاذب کشیده شده برروی آن می باشد. داخل کلکتور یک لوله - U-Tube - به همراه پره مسی مدور اطراف آن - جهت یکتواختی و ثبات شار حرارتی - قرار داده شده است که سیال عامل را از خود عبور می دهد. شکل های 2 و 3 به ترتیب شماتیک کلکتور خورشیدی لوله خلا مورد بحث و مدار حرارتی آن را نشان می دهند.
