بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی یک کلکتور خورشیدی چند منظوره توسط دینامیک سیالات محاسباتی
چکیده
از آنجا که فعایت های مربوط به انرژی های فسیلی توام با آلوده سازی و تخریب محیط زیست است و این عامل سبب ایجاد ضایعات جبران ناپذیری در قسمتهای مختلف زندگی بشر می شود، شناخت و به کارگیری انرژی های نو بسیار ضروری می باشد. یکی از این نوع انرژی ها، انرژی خورشیدی است که با توجه به وضعیت آب و هوایی ایران و بالا بودن میزان تابش اشعه خورشید در واحد سطح، می تواند به عنوان جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی قلمداد شود. یکی از راه های استفاده از این نوع انرژی، آبگرمکن های خورشیدی می باشد.
در این کار تحقیقاتی یک آبگرمکن لوله ای مدل شده است که همزمان می توان از آن به بعنوان مخزن ذخیره استفاده شود. مدل سازی در شرایط آب و هوایی شهر کرمان و تحت شرایط عملیاتی متفاوت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی انجام شده است. در این کار تاثیر شدت تابش آفتاب در ساعات مختلف روز بر دمای خروجی آب گرم مورد بررسی قرار گرفته و نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی مقایسه شده است و این مقایسه نشان می دهد که توافق کاملی بین نتایج مدل و داده های تجربی وجود دارد.
کلمات کلیدی
آبگرمکن خورشیدی ، انرژی خورشیدی، دینامیک سیالات محاسباتی، کلکتور خورشیدی.
نکات برجسته پژوهش
· استفاده از آبگرمن های خورشیدی گامی نوین در جهت کاهش آلودگی های محیط زیست می باشد.
· آبگرمکن خورشیدی مذکور نسبت به آبگرمکن های دیگر دارای این مزیت است که همزمان هم کار ذخیره انرژی و هم گرم کردن آب را انجام می دهد.
· دینامیک سیالات محاسباتی که در این پژوهش از آن استفاده شده امکان پیش بینی رفتار سیستم را می دهد.
-1 مقدمه
با توجه به محدود بودن منابع مربوط به انرژی فسیلی و بحث آلایندگی آنها، توجه بشر به منابع نامحدود و پاک همچون انرژی خورشید معطوف شده است . فن آوری ساده، آلوده نشدن هوا و محیط زیست، مبحث اشتغال زایی و از همه مهمتر ذخیره شدن سوختهای فسیلی برای آیندگان از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی خورشیدی را برای کشور ما آشکار می سازد. در این میان یکی از بزرگترین مصرف کننده های حامل های انرژی، بخش خانگی است، به طوری که در ایران بیش از %40 مصرف انرژی مربوط به بخش تجاری و خانگی است.[1]
روشهای گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک و لایزال الهی وجود دارد، اما گرم کردن آب در آبگرمکن های خورشیدی، شاید بعنوان آسانترین و اقتصادی ترین روش باشد. براحتی و بصورت بسیار موثر می توان انرژی خورشید را برای گرم کردن آب مصرفی منازل و حتی برای مصارف صنعتی بکار برد.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یکی از روشهای توانمند برای شبیه سازی جریان سیال می باشد که به تحلیل سیستمهای شامل جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم و پدیده های همراه نظیر واکنشهای شیمیایی، می پردازد. در حقیقت CFD تکنیکی بیش از شبیه سازی کامپیوتری جریان سیالات است و با استفاده از امکانات گرافیکی، مهندسین را قادر می سازد تا درک بهتری از پدیده های داخل سیستم داشته باشند. نتایج CFD تنها عدد و رقم نیست بلکه به کمک آن می توان مسیر حرکت سیال را هم مشاهده نمود. از ویژگیهای CFD این است که از داخل سیستم های پیچیده ای که انجام آزمایش برای آنها پرهزینه، طولانی و غیرممکن است، اطلاعات با ارزشی فراهم می کند.[2]
کلکتورها و آبگرمکن های خورشیدی متفاوتی توسط دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شده اند که هر کدام از آنها دارای ابعاد وسازوکار مربوط به خود بوده اند. در اینجا چند نمونه از کارهای شبیه سازی شده توسط محققین ارائه می شود.
در سال 2007 ، شبیه سازی یک آبگرمکن خورشیدی با منبع ذخیره یکپارچه توسط Henderson و [3] Junaidi انجام شد. در این کار تحقیقاتی تاثیر شیبهای مختلف آبگرمکن نسبت به سطح افق توسط نرم افزار فلوئنت بررسی شده و نهایتا پارامتر هایی که در تعیین شیب بهینه نقش دارند مشخص گردیده است. در سال 2007، شبیه سازی یک آبگرمکن خورشیدی صفحه تخت توسط Gertzos و [4] Caouris انجام شد. در این کار تحقیقاتی عمکلکرد حرارتی این نوع آبگرمکن توسط نرم افزار فلوئنت مورد بررسی قرار گرفت و نتایج حاصله با داده های آزمایشگاهی مقایسه شد. در سال 2008، شبیه سازی یک کلکتور خورشیدی توسط Mohamed Selmi، Mohammed J. Al-Khawaja و Abdulhamid [5] Marafiaانجام شده آنها در کار تحقیقاتی خود به کمک CFD، گرمایش آب در یک آبگرمکن از نوع تخت را مورد بررسی قرار دارند.
در کار تحقیقاتی حاضر یک نوع خاص از آبگرمکن خورشیدی مدل شده است که همزمان علاوه ه بر این کـه آب را گـرم می کند، نقش یک مخزن ذخیره برای نگهداری آب گرم را نیز بعهده دارد. شبیه سازی به کمک نرم افزار فلوئنت و بـه صـورت سه بعدی انجام شده است. ابتدا شبیه سازی بوسیله ی کارهای تجربی انجام شـده توسـط Abdul Jabbar N. Khalifa [6] Raid A. Abdul Jabbar ارزیابی شده و پس از صحت اطمینان از محاسبات، عملکرد ایـن نـوع آبگـرمکن در شـرایط مختلف تحت شرایط آب و هوایی کرمان مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 روشهای دینامیک سیالات محاسباتی((CFD
روشهای CFD شامل حل عددی معادلات بقای جرم، اندازه حرکت و انرژی به همراه معادلات دیگر مسئله(مانند معادلات مربوط به واکنش شیمیایی) در مناطق مختلف سیال می باشد. حل یک مسئله به روش CFD شامل دو مرحله اصلی است. ابتدا کل فضای سیال به اجزاء کوچک(مش ها) تقسیم می شود، آنگاه معادلات مشتقات جزئی بیانگر جریان سیال (که صورت مناسبی از معادلات ناویر- استوکس می باشند) بر تمام این مش ها(حجم های کنترلی) اعمال می گردد. در نتیجه تعداد زیادی معادلات غیرخطی بدست می آید که باید بطور همزمان حل شوند. حل این معادلات با استفاده از الگوریتمهای عددی انجام می گیرد. معادلات بقا شامل معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی برای جریان تراکم پذیر تحت تاثیر آشفتگی باید حل شوند. این معادلات برای قابل حل بودن نیازمند به یک مدل آشفتگی هستند. مدل های بسیاری برای بیان آشفتگی ارایه شده است. مدل یکی از معتبرترین مدل های ارایه شده می باشد.
-3 حل عددی
1-3 شبیه سازی کلکتور خورشیدی لوله ای
کلکتور مورد نظر از شش عدد لوله ی مسی به قطر خارجی 80 میلیمتر، ضخامت 1 میلیمتر و طول 1500 میلیمتر که در آن فاصله ی بین مرکز دو لوله مجاور 120 میلیمتر می باشد تشکیل یافته است. قطر هر کدام از لوله ها نیز 80 میلیمتر می باشد. لوله ها ی مسی در یک آرایش سری قرار گرفته اند.. اطراف، ناحیه ی تحتانی و فضای بین لوله ها با عایق از جنس فوم استایرن پوشیده شده است. به فاصله ی 30 میلیمتر از سطح فوقانی لوله ها، پوشش محافظی از جنس شیشه برای کاهش تلفات جابجایی قرار گرفته است. شکل 1 نمایی از کلکتور آبگرمکن مورد نظر رانشان می دهد.[6]
2-3هندسه کلکتور
در مرحله نخست، با توجه به ابعاد موجود یک هندسه مشخص برای کلکتور توسط نرم افزار گمبیت رسم می شود. مش بندی سیستم با مش نوع Hex برای لوله های حاوی سیال و مش نوع Tet Hybrid برای مابقی فضای موجود منجر به تولید شبکه ای با حدود 239782سلول در این نرم افزار پیش پردازنده گردید. پس از آن مدل برای حل وارد نرم افزار فلوئنت شد. در محیط فلوئنت از محاسبه گر یک دقته و سه بعدی با شیوه حل مجزا و مدل فیزیکی آشفته برای حل استفاده شده است. شمایی از هندسه کلکتور که در محیط نرم افزار گمبیت ساخته شده، در شکل 2 قابل مشاهده است. با توجه به نوع مسئله، حل بصورت گذرا می باشد.
در این مطالعه به منظور حل معادلات دیفرانسیل مومنتوم، تلاطم و انرژی از روش عددی حجم محدود استفاده شده است.
3-3 روش حل
آب بعنوان سیال انتقال حرارت استفاده شده است. برای خواص آب روایط زیر بصورت تابعی از دما بکار رفته است:[4]
در روابط بالا دانسیته ، ویسکوزیته ، Cp گرمای ویژه ، k رسانایی گرمایی( ) و T دما((K می باشد.
برای حل مسئله شرایط مرزی به صورت زیر تعیین می شوند:
