مطالعه عددی جریان و انتقال حرارت در لوله گیرنده حفره‌ای یک برج خورشیدی با آشوبگرهای مختلف تحت شار حرارتی غیریکنواخت

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 2، دوره 35، شماره 2 - شماره پیاپی 32، تیر 1402، صفحه 17-36   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2022.76201.1111

نویسندگان

سیاوش زینل پور؛ زهرا مهردوست^*

گروه مهندسی مکانیک، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

چکیده

در این مقاله، تأثیر استفاده از چهار نوع آشوبگر مختلف درون لوله گیرنده حفره‌ای برج خورشیدی به منظور بهبود انتقال حرارت و کاهش توزیع دمای غیر‌یکنواخت بررسی شده است. شبیه‌سازی عددی به صورت سه بعدی انجام شده و تأثیر شکل آشوبگرها، موقعیت قرارگیری درون لوله گیرنده، گام و ضخامت آشوبگر و همچنین تأثیر شار حرارتی غیریکنواخت بر عدد ناسلت، ضریب اصطکاک و دمای سطح لوله گیرنده بررسی شده است. جریان به صورت تراکم‌ناپذیر، پایا، آشفته و عدد رینولدز در محدوده 8000 تا 20000 در نظر گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی برای چهار نوع آشوبگر نوار تابیده، نوار موج‌دار، نوار حلزونی و نوار پره‌دار نشان داد که آشوبگر نوار موج‌دار نسبت به سه نوع دیگر، دارای عدد ناسلت بالاتر و دمای متوسط کمتر روی سطح خارجی لوله گیرنده است. افزایش عدد ناسلت نوار موج‌دار نسبت به نوار پره‌دار، تابیده و حلزونی به ترتیب %8/1، %2 و %2/3 و نسبت به لوله گیرنده بدون آشوبگر %10 است. با افزایش ضخامت آشوبگر و کاهش گام، عدد ناسلت افزایش یافته و دمای متوسط سطح خارجی لوله گیرنده کاهش می‌یابد. بررسی موقعیت قرارگیری آشوبگر در سه حالت نزدیک به دیواره شار حرارتی غیریکنواخت، وسط لوله و نزدیک به دیواره عایق نشان داد که با افزایش فاصله آشوبگر از ناحیه اعمال شار حرارتی غیریکنواخت، اختلاط جریان سیال گرم و سیال سرد بهتر صورت می‌گیرد و توزیع دما یکنواخت‌‌تر می‌شود. بنابراین بهترین موقعیت برای قرار گرفتن آشوبگر، دورترین فاصله نسبت به دیواره شار حرارتی غیریکنواخت است.

کلیدواژه‌ها

برج خورشیدی؛ لوله گیرنده حفره‌ای؛ شار حرارتی غیر یکنواخت؛ آشوبگر؛ انتقال حرارت

مراجع

[1] Dutta, "High temperature solar receiver and thermal storage systems", Applied Thermal Engineering, vol. 124, pp. 624–632, (2017).

[2] L. Zhang, J. Fang, J. Wei and G. Yang, "Numerical investigation on the thermal performance of molten salt cavity receivers with different structures", Applied Energy, vol. 204, pp. 966–978, (2017).

[3] Z. Liao, X. Li, C. Xu, C. Chang and Z. Wang, "Allowable flux density on a solar central receiver", Renewable Energy, vol. 62, pp. 747–753, (2014).

[4] C.K. Ho and B.D. Iverson, "Review of high-temperature central receiver designs for concentrating solar power", Renewable & Sustainable Energy Reviews, vol. 29, pp. 835–846, (2014).

[5] Y. Hao, Y. Wang and T. Hu, "The flow distribution in the parallel tubes of the cavity receiver under variable heat flux", Applied Thermal Engineering, vol. 108, pp. 641–649, (2016).

[6] S.M. Besarati, D. Yogi Goswami and E.K. Stefanakos, "Optimal heliostat aiming strategy for uniform distribution of heat flux on the receiver of a solar power tower plant", Energy Conversion and Management, vol. 84, pp. 234–243, (2014).

[7] Q. Yu, Z. Wang and E. Xu, "Analysis and improvement of solar flux distribution inside a cavity receiver based on multi-focal points of heliostat field", Applied Energy, vol. 136, pp. 417–430, (2014).

[8] N. Tu, J. Wei and J. Fang, "Numerical investigation on uniformity of heat flux for semi-gray surfaces inside a solar cavity receiver", Solar Energy, vol. 112, pp. 128–143, (2015).

[9] M. Binotti, P.D. Giorgi, D. Sanchez and G. Manzolini, "Comparison of different strategies for heliostats aiming point in cavity and external tower", Journal of Solar Energy Engineering, vol. 138, pp. 021008-1–021008-11, (2016).

[10] A. Salomé, F. Chhel, G. Flamant, A. Ferrière and F. Thiery, "Control of the flux distribution on a solar tower receiver using an optimized aiming point strategy: Application to THEMIS solar tower", Solar Energy, vol. 94, pp. 352–366, (2013).

[11] T. Ashley, E. Carrizosa and E. Fernández-Cara, "Optimisation of aiming strategies in solar power tower plants", Energy, vol. 137, pp. 285–291, (2017).

[12] K. Wang, Y.L. He, Y. Qiu and Y. Zhang, "A novel integrated simulation approach couples MCRT and Gebhart methods to simulate solar radiation transfer in a solar power tower system with a cavity receiver", Renewable Energy, vol. 89, pp. 93–107, (2016).

[13] J. Pacio and T. Wetzel, "Assessment of liquid metal technology status and research paths for their use as efficient heat transfer fluids in solar central receiver systems", Solar Energy, vol. 93, pp. 11–22, (2013).

[14] L. Marocco, G. Cammi, J. Flesch and T. Wetzel, "Numerical analysis of a solar tower receiver tube operated with liquid metals", International Journal of Thermal Sciences, vol. 105, pp. 22–35, (2016).

[15] C. Zou, Y. Zhang, Q. Falcoz, P. Neveu, C. Zhang, W. Shu, and S. Huang, "Design and optimization of a high-temperature cavity receiver for a solar energy cascade utilization system", Renewable Energy, vol. 103, pp. 478–489, (2017).

[16] L. Yang, R. Zhou, Jin, X., Ling, X., Peng, H., "Experimental investigate on thermal properties of a novel high temperature flat heat pipe receiver in solar power tower plant", Applied Thermal Engineering, vol. 109, pp. 610–618, (2016).

[17] K. Kanatani, T. Yamamoto, Y. Tamaura and H. Kikura, "A model of a solar cavity receiver with coiled tubes", Solar Energy, vol. 153, pp. 249–261, (2017).

[18] A. Mwesigye, T. Bello-Ochende and J.P. Meyer, "Heat transfer and thermodynamic performance of a parabolic trough receiver with centrally placed perforated plate inserts", Applied Energy, vol. 136, pp. 989–1003, (2014).

[19] Y. Liu, W-J. Ye, Y-H. Li and J-F. Li, "Numerical analysis of inserts configurations in a cavity receiver tube of a solar power tower plant with non-uniform heat flux", Applied Thermal Engineering, vol. 140, pp. 1–12, (2018).

[20] M. Allam, M. Tawfik, M. Bekheit and E. El-Negiry, "Heat transfer enhancement in parabolic trough receivers using inserts: A review", Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 28, (2021).

[21] P. Liu, Z. Dong, H. Xiao, Z. Liu and W. Liu, "A novel parabolic trough receiver by inserting an inner tube with a wing- like fringe for solar cascade heat collection", Renewable Energy, vol. 170, pp. 327-340, (2021).

[22] Y. Qiu, M. Li, M-J. Li, H. Zhang and B. Ning, "Numerical and experimental study on heat transfer and flow features of representative molten salts for energy applications in turbulent tube flow", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 135, pp. 732-745, (2019).

[23] W.Q. Tao, Numerical Heat Transfer, second ed., Xi’an Jiaotong University Press, Xi’an, (2001).

[24] P. Schwarzbölz, M. Schmitz and R. Pitz-Paal, Visual HFCAL – a software for layout and optimization of heliostat fields, Solar PACES, Berlin, (2009).

[25] F.J. Collado, "One-point fitting of the flux density produced by a heliostat", Solar Energy, vol. 84(4), pp.673–684, (2010).

[26] V. Gnielinski, "New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow", International Journal of Chemical Engineering, vol. 16, pp. 359–368, (1976).