بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله هدف شبیه سازی کالکتورهای خورشیدی صفحه تخت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی با نرم افزار ANSYS میباشد. نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی مقایسه شد که با خطای 2/5 درصد، تطابق خوبی را نشان داد. در ادامه تاثیر پارامترهای جابجائی طبیعی، مدل آشفتگی و ضریب جذب لوله ها بر روی بازده کالکتور بررسی شد . نتایج نشان داد که استفاده از مدل k- باعث افزایش دقت شبیه سازی می شود. همچنین با استفاده از شبیه سازی معلوم شد که در نظر گرفتن جابجائی طبیعی برای مدل کردن کالکتور، ضروری است . استفاده از پوشش برای لوله ها به منظور افزایش ضریب جذب آنها، مقرون به صرفه نیست.
.1 مقدمه
از بحران سال 1973، توجه واقعی به منابع انرژی تجدیدپذیر شروع شد . از بین منابع انرژی تجدید پذیر توجه ویژه به انرژی خورشیدی برای تولید انرژی حرارتی و کاربردهای دیگر معطوف شد[1] .با توجه به این که نفت یک منبع محدود میباشد ، استفاده از منابع انرژی های تجدیدپذیرو به طور خاص استفاده از انرژی خورشیدی برای کاربردهای حرارتی ، یک پیشنهاد مناسب می دباش . انرژی خورشیدی به دلیل سازگار بودن با محیط زیست ، داشتن صرفه اقتصادی در مقایسه با سیستم های دیگر انرژی و سادگی طراحی سیستم و کاربرد آن مورد استفاده قرار گرفته است . بیشترین کاربرد سیستم های خورشیدی تولید آب گرم برای مصارف خانگی است . اساسی ترین واحد این سیستم ها کالکتورهای خورشیدی هستند . از بین ساختارهای مختلف کالکتورها که مورداستفاده قرار می گیرند، متداول ترین آنها کالکتورهای صفحه تخت می باشد.
.2 تئوری
کالکتور خورشیدی صفحه تخت سادهترین و پراستفاده ترین نوع کالکتور به شمار می رود. ساختار آن به شکل یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پو شش تیره رنگ است. این صفحه تیره، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. بر روی صفحه لولههای کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال دهنده حرارت در آنها جریان دارد و اطراف کالکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح کالکتور از پلاستیک شفاف یا شیشه که اجازه عبور اشعه خورشید را داده ، پوشیده می شود و این پوشش سبب کاهش اتلاف حرارتی میشود.
یک کالکتور خورشیدی از 4 قسمت اصلی تشکیل شده است . شیشه، لوله، لایه های عایق بندی که از اتلاف حرارت به محیط جلوگیری می کند وصفحه جاذب که متصل به لوله ها است و برای انتقال حرارت از کالکتور به لوله ها به کار میرود.
شیشه از اتلاف حرارت از صفحه به محیط به وسیله تابش و جابجائی و همچنین از ایجاد ضربه های مکانیکی به دیگر قسمت ها جلوگیری می کند و تمیز کردن کالکتور را ساده تر می کند. به این خاطر از شیشه برای لعاب استفاده م یشود که بیش از %90 تابشهای خورشیدی را عبور داده و باعث ایجاد پدیده گلخانه ای می شود و همچنین ارزان قیمت است. تابشهای عبوری از شیشه و در نتیجه بازده با کاربرد پوشش های غیر انعکاسی قابل افزایش دادن است .
تابش های عبوری از شیشه به سمت صفحه جاذب پخش می شود. جاذب باید یک مقدار بهینه از تابش های خورشیدی را جذب و بازتاب را به حداقل برساند. جاذب بهتر است به رنگ سیاه باشد. حرارت از جاذب به دسته لوله ها که به طور موازی و معمولا متصل به یکدیگر هستند و زیر یا روی جاذب قرار گرفته اند، منتقل می شود. ترجیحا لوله ها باید به صورت مستقیم قرار گیرند تا توزیع دمای سیال یکنواخت شده و بازده افزایش یابد . سیال مورد استفاده معمولا آب و یک مخلوط غیرقابل انجماد می باشد ولی اگر هدف گرمایش یا خشک کردن هوا باشد، هوا به کار می رود.
.3پیشینه تحقیق
کواریک در سال1978 بر روی دو نوع پره با ضخامت یکنواخت و متغیر مطالعه کرد و برای این منظور دو نوع تابع هدف به کار برد. در مورد پره با ضخامت یکنواخت، هزینه مربوط به حرارت مورد استفاده را به حداقل رساند، در حالی که برای پره با ضخامت متغیر، هزینه ماده به ازای واحد طول پره به حداقل رسید تا ضخامت پره متغیر به دست آید. سپس، هزینه به ازای حرارت مورداستفاده برای رسیدن به عرض پره بهینه را به حداقل رساند
باون 1 و همکارانش در سال 1984 به بررسی اثر نسبت بر بازده سیستم پرداختند و برای دستیابی به بالاترین بازده بهترین مقدار آن را در محدوده 18 تا 48 کیلوگرم برساعت بر مترمربع گزارش کردند.
دوفی2 و بکمن3 در سال 1991 بر اساس اندازه گیری ضریب انتقال حرارت بین جاذب با محیط و همچنین بازده پره، اصولی را ایجاد کردند که برای اندازه گیری حرارت هدایتی منتقل شده از صفحه به لوله ها به کار میرود[5] میبرن4 و هوقس5 در سال 1993، ایساکسون6 در سال 1995 و هیلمر7و همکارانش در سال 1999 مدلهای دینامیکی کالکتورها و توزیع دما در یک کالکتور با زمان را ارائه کردند . این مدل ها نتایج تلاش ها برای بهبود مدل انتقال حرارت یک بعدی پایدار بود.
وایرل8 بدیسیو9 در سال 2005 به این نتیجه رسیدند که، بازده متوسط کالکتور با افزایش دما، کاهش می یابد، و این کاهش برای دو فصل سرد و گرم یکسان است. علاوه بر این، با افزایش دمای عملیاتی، مقدار بهینه فاصله ی بین لوله ها کاهش مییابد و تقریبا برای فصول گرم و سرد نتایج مشابه به دست میآید.
در سال 2009 حبی و همکارانش دریافتند که، پارامترهای کسر خورشیدی، بازده کالکتور، ضریب کارایی و ضریب اتلاف حرارتی کالکتور با افزایش قطر داخلی لوله ها، افزایش می یابد
.4روش حل با استفاد از دینامیک سیالات محاسباتی
در بررسی یک مسئله با استاده از دینامیک سیالات محاسباتی سه گام اساسی وجود دارد که عبارتند از پیش پردازش، پردازش و پس پردازش.مرحله پیش پردازش شامل تولید هندسه شکل شبکه بندی و تعیین شرایط مرزی می باشد. در این مقاله با استفاده ازنرم افزارGambi هندسه کالکتور ترسیم شد. ابعاد و مشخصات کالکتور بر اساس استاندارهای شرکت سولار پلار که تولیدکننده کالکتورهای خورشیدی صفحه تخت دراستان اصفهان می باشد، در نظر گرفته شد. در شکل 1 نمایی از کالکتور شبیه سازی شده آورده شده است.
شکل-1 نمایی از کالکتور ترسیم شده
همانطور که در شکل نشان داده شده است، کالکتور موردنظر از 5 قسمت تشکیل شده است. صفحه جاذب، لایه های عایق که در سه وجه کالکتور قرار گرفته اند، لعاب شیشه که در وجه بالایی کالکتور قرار گرفته، 2هدرکه در بالا و پایین جاذب قرار گرفته و برای تقسیم جریان سیال درداخل لوله ها به کار می رود و در نهایت6 لوله که بر روی سطح جاذب قرار گرفته اند. لازم به ذکر است که، لوله ها وهدرها به گونه ای بر روی سطح جاذب تعبیه شده که نیمی از آن ها بالای جاذب و نیمی دیگر در زیر جاذب قرار گیرد که این طرح مطابق با کالکتورهای شرکت سولار پلار میباشد و به منظور نزدیکی بیشتر شکل به هندسه واقعی و افزایش دقت شبیه سازی می باشد. علاوه براین به قسمت عایق بندی در پشت کالکتور حذف شده و به جای آن نیمه پایینی لوله ها وهدرها و همچنین پشت جاذب عایق درنظر گرفته شد. این قسمت تاثیری بر حل مسئله ندارد و حذف آن باعث سادهسازی مسئله و کاهش حجم محاسبات می شود.
برای شبکه بندی از شبکه بندی منظم با المان های مثلثی استفاده شد . استفاده از شبکه منظم گرچه باعث افزایش تعداد المان ها و وقت گیرشدن مسئله شد ولی نتایج دقیق تری را به همراه داشت .پس از بررسی مش های مختلف،تعداد مش 1250000 برای شکل موردنظر انتخاب شد .در تعیین شرایط مرزی برای ورودی شرط شدت دبی جریان 1و برای خروجی با توجه به بالابودن نسبت طول به قطر لوله ها از شرط مرزی توسعه یافتگی به صورت جریان خروجی 2 در نظر استفاده شد. سایر صفحات دیواره در نظر گرفته شد.
در ادامه هندسه موردنظر برای گام پردازش وارد نرم افزار ANSYS12 شد. با توجه به مقدار دبی که برابرkg/s 0/03 میباشد، جریان به صورت آشفته درنظر گرفته شد. برای تعیین مدل آشفتگی از مدلk- ε استاندارد استفاده شد. مدل تابش انتخاب شده از نوع DO و نرخ تابش ورودی به سطح کالکتور 800w/m2 میباشد. کالکتور به صورت افقی و جاذبه در جهت -z است.در شکل 2 کانتور مربوط به دمای سیال بر روی سطح جاذب نشان داه شده است.
