16393

16393

مدلسازي عددي فرآيند ترموهيدروليك در لوله جاذب نيروگاه خورشيدي متمركز براي توليد همزمان آب شيرين و برق

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

مهر 1395

سيد مصطفي حسينعلي پور - غلامرضا شهرياري مقدم

مكانيك

در اين پايان‌نامه به مدل‌سازي عددي فرآيند ترموهيدروليك در لوله‌ي جاذب كلكتور سهموي خطي نيروگاه خورشيدي متمركز با توليد مستقيم بخار و بهبود فرآيند انتقال حرارت در لوله‌ي جاذب پرداخته ‌شده است. در ابتدا براي ارزيابي فرآيند ترموهيدروليك از مدل‌هاي يكپارچه استفاده شده تا حالت‌هاي عملكرد بحراني سيستم مشخص گردد. در همين راستا، تأثير شدت تابش مستقيم خورشيد بر الگوي جريان در بخش دو فاز و مشخصه‌هاي ترموهيدروليكي شامل دما، فشار و كسر حجمي در طول لوله‌ي جاذب بررسي شده است. كيفيت بخار در بخش جداسازي ثابت و برابر 8/0 درنظر‌گرفته‌شده ‌‌است. با توجه به نتايج، با كاهش شدت تابش مستقيم خورشيد الگوي لايه‌بندي ‌شده الگوي غالب جريان در بخش دو فاز مي‌باشد كه اين شرايط منجر به ايجاد گراديان دماي بالا در لوله‌ي جاذب و شكل‌گيري تنش‌هاي حرارتي مي‌شود. با توجه به‌اينكه توزيع شار حرارتي در محيط پيراموني لوله‌ي جاذب، توزيع غير يكنواخت مي‌باشد به همين دليل لوله‌ي جاذب تحت اثر گراديان‌هاي شديد دمايي و تنش‌هاي حرارتي قرار مي‌گيرد. در برخي موارد اين گراديان دما باعث كمانش موجي لوله‌ي جاذب شده و باعث شكسته‌شدن لوله‌ي شيشه‌اي مي‌گردد. پس از تعيين شرايط بحراني عملكرد سيستم، استفاده از نوار تابيده شده در بخش مافوق گرم براي كاهش گراديان دماي محيطي ارائه شده است. براي بررسي بهبود انتقال حرارت با استفاده از نوار تابيده‌شده در لوله‌ي جاذب كلكتور سهموي خطي با سيال عامل بخار مافوق‌گرم از حل عددي مبتني بر روش حجم محدود استفاده شده است. رژيم جريان، رژيم آشفته مي‌باشد و براي مدل سازي آشفتگي از مدل RNG k-εاستفاده ‌شده است. براي اعتبار سنجي نتايج عددي از روابط تجربي موجود بهره گرفته شده است. تاثير پارمترهاي هندسي نوارتابيده شده، دماي سيال و عدد رينولدز در عدد ناسلت و ضريب اصطكاك مورد بررسي قرار گرفته است. محاسبات عددي با استفاده از نرم افزار فلوئنت در محدوده عدد رينولدز 200000 تا 978772، نسبت لقي در محدوده‌ي صفر تا 5/0 و نسبت پيچش 5/2 الي 10 انجام شده است. نتايج حاصل بيانگر بهبود توزيع دما در جداره لوله‌ي جاذب و كاهش 45 درصدي گراديان دماي محيطي و افزايش 20 درصدي فاكتور بهبود انتقال حرارت مي‌باشند. واژه‌هاي كليدي: توليد مستقيم بخار، نوار تابيده شده، ترموهيدروليك، نيروگاه خورشيدي متمركز

1395/11/03

3/20/2019 12:00:00 AM

In this thesis thermo-hydraulic modeling of flow in absorber tube of Parabolic Trough Collectors (PTC) with Direct Steam Generation (DSG) an​d heat transfer enhancement has been investigated. An appropriate Lumped model is used for eva​luation of thermo-hydraulic process inside tube in order to identify critical condition of the system. Effect of direct normal irradiance (DNI), ranging from 200-875 on flow pattern an​d thermo-hydraulic characteristics including temperature, pressure, convection coefficient an​d void fraction of fluid along absorber tube were analyzed. The separation steam quality was assumed equal to 0.8. With decreasing DNI, the stratified flow pattern will be the dominant pattern in two phase region causing high temperature gradient an​d thermal stress in tube. In some cases this thermal stress cause the bending of receiver an​d deviates it from focusing line an​d even damages the receiver. A code was written in Engineering Equation Solver (EES) an​d the results were validated against experimental data from INDITEP project. good agreement was observed. The current modeling can be used as a preliminary design tool for a DSG loop. After identifying the critical operation condition, twisted tape was proposed for heat transfer enhancement an​d temperature difference decreasing in superheated region. Afterwards, heat transfer enhancement by twisted tape in parabolic trough collector with superheated steam as a working fluid, was numerically studied. Numerical method is based on Finite volume method an​d for turbulence modeling RNG k-ε model was used. Numerical results were validated with experimental correlation an​d good agreement between numerical result an​d experimental correlation was observed. The effect of twisted tape geometrical parameter, fluid inlet temperature an​d Reynolds number on the Nusselt number, friction factor an​d thermo- hydraulic performance were studied. Superheated steam temperature that was used in this simulation was 557, 598 an​d 632 kelvin. Numerical computation was done by commercial Ansys 14 software with Reynolds number in the range 10000-978772, clearance ratio in the range 0-0.5 an​d twist ratio in the range 2.5-10 . According to numerical results, by using twisted tape the maximum circumferential temperature gradient was decreased about 45 percent which reduce thermal stress an​d absorber tube bending. Nusselt number increase in Range 20- 200 times with increase in friction factor is in range 1.8-4.1.