بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی انتقال گرمای نانوسیال در کلکتور خورشیدی سهموی خطی
چکیده
امروزه، فن آوری کلکتور سهموی خورشیدی به یکی از امیدوار کنندهترین فناوریها در مقیاس بزرگ در میان نسلهای مختلف حرارتی خورشیدی تبدیل شده است. در این مقاله، یک مدل عددی انتقال حرارت دقیق برای کلکتور سهموی خطی با نانو سیال ارائه شده است و بر اساس روش تفاضل محدود یک کد شبیهسازی کامپیوتری توسعه داده شده است. مدل برای شبیهسازی عملکرد گیرنده خطی کلکتور خورشیدی به نام عضو جمعآوری حرارتی (HCE) سهموی استفاده میشود، در این مدل، عنصر جمعآوری گرما از گیرنده را به بخش های مختلف در جهت جریان تقسیم کرده و توازن انرژی محوری برای هر حجم کنترل به صورت گسسته استفاده میشود. همه همبستگیهای انتقال حرارت، معادلات ترمودینامیکی و خواص نوری با جزئیات در نظر گرفته شده و مجموعهای از معادلات جبری به طور همزمان با استفاده از راه حل عددی تکراری حل شده است. مفروضات و محدودیت مدل سازی نیز مورد بحث قرار گرفته و توصیههایی برای بهبود مدل ارائه شده است.
کلمات کلیدی: انرژی خورشیدی، کلکتور سهموی، نانوسیال، مدلسازی.
1مقدّمه.
کلکتور خورشیدی سهموی1 یا PTC یک نوع بهرهبرداری از انرژی خورشیدی با تمرکز خطی2 است که در صنعت با دمای متوسط و حداکثر دمای کاری 400 تا 500 درجه سانتیگراد کاربرد دارد. در مورد نوع سیال انتقال حرارت در جاذب3، روغن حرارتی و آب/ بخار انواع پایهای میباشند. هر دو سیستم در تولید برق و یا گرمایش شدید در صنعت مدرن در سال های اخیر استفاده میشود. سیستم های تولید انرژی خورشیدی با روغن حرارتی به عنوان سیال انتقال حرارت، به نام SEGS4، شده است در چندین کشور به ویژه در ایالات متحده آمریکا، توسعه یافته است. بنابراین، برق سبز تولید شده انگیزه تحقیق و توسعه در آینده را افزایش داده است.
برخی از مقالات چاپ شده به مدلسازی پرداختهاند و تجزیه و تحلیل روند انتقال حرارت از روغن حرارتی در سیستم جمع-آوری سهموی را مطالعه کردهاند. مدل کلکتور سهموی یک بعد توسط عوده1 و همکاران توسعه شده است که شامل روغن مصنوعی و آب/ بخار آب به عنوان سیال عامل است. مدل ایجاد شده را میتوان برای پیشبینی عملکرد کلکتور مورد استفاده قرار داد. رولیم2 و همکاران مدل تحلیلی برای یک سیستم حرارتی سهموی تولید برق خورشیدی را معرفی کردند. تبدیل انرژی تابش خورشیدی به قدرت حرارتی در امتداد لوله جاذب کلکتور سهموی با توجه به غیر خطی بودن تلفات حرارتی و وابستگی آن به درجه حرارت محلی مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج شبیهسازی با نتایج تجربی مقایسه شدهاند (رونگرونگ3 و همکاران .(2013
با این که انتقال حرارت در مقالات بالا و مقالات مشابه مورد مطالعه قرار گرفته است اما امکان استفاده از نانوسیالات به ویژه نانولولههای کربنی در این مقالات مطالعه نشده است (شکل .(1 همچنین، اهمیت این پروژه نهفته در آن است که در جزئیات فرایند انتقال حرارتی در جهت جریان متمرکز شده است و یک مدل دوبعدی انتقال گرما را پیشنهاد میدهد.
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، متمرکزساز خطی سهموی برای تمرکز نور خورشید و به منظور گرم کردن سیال انتقال حرارت پمپ شده در جاذب استفاده می شود. گذردهی خوب نور و پاکت شیشهای با دوام استفاده میشود تا فضای خلاء بین جاذب و پاکت حفظ شود و اتلاف حرارت کاهش یابد و از زنگزدگی جلوگیری شود.
. 2 مدلسازی
در این مدل انتقال حرارت، موازنه انرژی برای هر جزء از HCE استفاده میشود. معادله انرژی در فرم انتگرالی آن میتواند به صورت زیر نوشته شود:
برای مجزاسازی1 میدان2 و اعمال موازنه انرژی در هر حجم کنترل (CV) از روش اختلاف محدود(FDM) 3 تحت شرایط حالت پایدار استفاده میشود. شکل (2)، شماتیک مدل انتقال گرما را نشان میدهد. معادلات موازنه انرژی و جرم4 زیر برای ایجاد مدل استفاده میشود. معادلات (2-1) و (3-1) برای نانوسیال انتقال گرما هستند. معادلات (4) تا (9) در مورد جاذب و پاکت شیشهای5 همان موازنه گرما در سیستم مولد بخار مستقیم میباشند:
با ترکیب (4) و (5) داریم:
با ترکیب (7) و (8) داریم:
مدل عملکرد HCE از موازنه انرژی بین HTF و محیط اطراف استفاده میکند و از همه همبستگیها6 و معادلات مورد استفاده در پیشبینی جملات موازنه انرژی7 بهره میگیرد. این عبارات به نوع کلکتور، شرایط HCE، خواص نوری و شرایط محیط بستگی دارد. شکل (2) تعادل انرژی حالت پایدار را برای یک مقطع HCE نشان می دهد، و شکل (3) مدل مقاومت حرارتی و تعاریف زیرنویس را نشان میدهد. برای وضوح، تلفات وارده انرژی و نوری خورشیدی از مدل مقاومت حذف شده است. تلفات نوری به علت نقص در آینه جمع آوری، خطاهای ردیابی، سایه، و تمیزی آینه ایجاد میشود. ورودی موثر انرژی خورشیدی (انرژی خورشیدی منفی تلفات نوری) توسط پاکت8 شیشه ای و پوشش جاذب منتخب جذب می شود. مقداری از انرژی که به پوشش انتخابی جذب از طریق جاذب رسانش شده با انتقال گرمای جابهجایی به HTF منتقل میشود. انرژی باقی مانده توسط جابهجایی به پاکت شیشهای انتقال و از طریق براکت پشتیبانی HCE به وسیله رسانش خارج میشود. سپس، این انرژی تابشی و جابهجایی از طریق عبور از پاکت شیشهای توسط رسانش و همراه با انرژی جذب شده توسط پاکت شیشهای و با تابش و جابهجایی به محیط اطراف انتقال مییابد. اگر پاکت شیشه ای موجود نباشد، از دست دادن گرما از جاذب به طور مستقیم به محیط اطراف رخ میدهد. مدل حاضر فرض میکند که همه درجه حرارت، شار گرما، و خواص ترمودینامیکی در اطراف HCE به طور یکنواخت میباشد. همچنین تمام جهات فرضی در شکل (1-3)، مثبت می-باشد. با کمک شکل (3) معادلات تعادل انرژی توسط بقای انرژی در هر سطح مقطع HCE تعیین میشود. برای حالت شیشهدار:
