تحلیل عددی همرفت طبیعی نانوسیال در یک گردآورنده خورشیدی تحت خلا همراه با مواد تغییر فاز دهنده
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی
سید علیرضا ناظم
1
(گروه مکانیک، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران)
ایمان زحمتکش
2
(گروه مکانیک، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران)
کلید واژه: مواد تغییر فاز دهنده, تحلیل عددی, گردآورنده خورشیدی, لوله خلا, نانوسیال,
چکیده مقاله :
انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی ابدی و گسترده، چگالی پایینی دارد و شدت آن به طور پیوسته در حال تغییر است. عدم دسترسی به انرژی خورشیدی در شب و شکاف بین زمان تابش و مصرف آن، نقاط ضعف اصلی آن به شمار می روند. در کاربردهایی از قبیل آبگرم مصرفی (DHW)، مواد تغییر فاز دهنده (PCM)، با ظرفیت گرمایی بالا و دمای ثابت در طول فرآیند تغییر فاز می توانند این چالش مهم را برطرف سازند. با این وجود، کوچک بودن ضریب رسانش گرمای آب، عملکرد گردآورنده خورشیدی لوله خلا را کم می کند. البته با به کارگیری نانوسیالات می توان رسانش گرمای آب را به میزان چشمگیری افزایش داد. این مقاله به تحلیل عددی همرفت طبیعی نانوسیال در یک گردآورنده خورشیدی تحت خلا همراه با مواد تغییر فاز دهنده می پردازد. نانوذرات بررسی شده شامل اکسید مس، اکسید تیتانیوم، اکسید آهن، اکسید آلومینیوم و اکسید گرافن می باشند. نتایج به دست آمده نشان می دهند که به ازای همه نانوذرات بررسی شده، با افزایش کسر حجمی نانوذرات، مقدار دمای خروجی از گردآورنده کاهش می یابد. مشخص می شود که بیشترین دما در هنگام استفاده از نانوذرات اکسید گرافن رخ می دهد.
As an eternal and widespread energy source, solar energy has a low density while its intensity is changing continuously. Unavailability of the solar energy in nights and the gap between the time of radiation and its consumption are concerned as the main drawbacks of this type of energy. In applications such as domestic hot water (DHW), phase change materials (PCMs) can successfully remove this shortcoming due to their high thermal capacity and constant temperature during the phase change process. However, thermal conductivity of water is relatively low which reduces the performance of vacuum tube solar collectors. This properties can be improved substantially with the utilization of nanofluids. This paper presents a numerical study on nanofluid natural convection in a vacuum tube solar collector with phase change materials. The studied nanoparticles include copper oxide, titanium oxide, iron oxide, aluminum oxide, and graphene oxide. The obtained results show that for all of the current nanoparticles, rise in the nanoparticles volume fraction is accompanied by a decrease in the exit temperature of the collector. It is found that the highest temperature belongs to the graphene oxide nanoparticles.
[1] Hooshmand, A., Zahmatkesh, I., Karami, M., Delfani, S., (2021), Porous foams and nanofluids for thermal performance improvement of a direct absorption solar collector: An experimental study, Environmental Progress & Sustainable Energy, 40(6) p. e13684.
[2] Chen, I., Liu, J., Fang, X., Zhang, Z., (2017), Reduced graphene oxide dispersed nanofluids with improved photo-thermal conversion performance for direct absorption solar collectors, Solar Energy Materials and Solar Cells, 163, pp. 125-133.
[3] Hong, Z., Pei, J., Wang, Y., Cao, B., Mao, M., Liu, H., Jiang, H., An, Q., Liu. X., Hu. X., (2019) Characteristics of the direct absorption solar collectors based on reduced graphene oxide nanofluids in solar steam evaporation, Energy Conversion and Management, 199, p. 112019.
[4] Khosrojerdi, S., Lavasani, A.M., Vakilic, M., (2017), Experimental Study of Photothermal Specifications and Stability of Graphene Oxide Nanoplatelets Nanofluid as Working Fluid for Low–Temperature Direct Absorption Solar Collectors (DASCs), Solar Energy Materials & Solar Cells 164, pp. 32–39.
[5] Eidan, A.A., Al–Sahlani, B., Ahmed, A.C., Al–Fahham. D., Jalil, J.E., (2018), Improving the Performance of Heat Pipe–Evacuated Tube Solar Collector Experimentally by Using Al2O3 and CuO/Acetone Nanofluids, Solar Energy 173, pp. 780–788.
[6] Kaya, H., Arslan, K., (2019), Numerical Investigation of Efficiency and Economic Analysis of an Evacuated U–Tube Solar Collector with Different Nanofluids, Heat Mass Transfer 55, pp. 581–593.
[7] Iranmanesh, S., Ong, H.C., Ang, B.C., Sadeghinezhad, E., Esmaeilzadeh, A., Mehrali, M., (2017), Thermal Performance Enhancement of an Evacuated Tube Solar Collector Using Graphene Nanoplatelets Nanofluid, Journal of Cleaner Production 162, pp. 121–129.
[8] Ahmadi, A., Ganji, D.D., Jafarkazemi, F., (2016), Analysis of Utilizing Graphene Nanoplatelets to Enhance Thermal Performance of Flat Plate Solar Collectors, Energy Conversion and Management 126, pp. 1–11.
[9] Meibodi, S.S., Kianifar, A., Niazmand, H., Mahian, O., Wongwises, S., (2015), Experimental Investigation on the Thermal Efficiency and Performance Characteristics of a Flat Plate Solar Collector Using SiO2/EG–Water Nanofluids, International Communications in Heat and Mass Transfer 65, pp. 71–75.
[10] Yousefi, T., Veisy, F., Shojaeizadeh, E., Zinadini, S., (2012), An Experimental Investigation on the Effect of MWCNT–H2O Nanofluid on the Efficiency of Flat–Plate Solar Collectors, Experimental Thermal and Fluid Science 39, pp. 207–212.
[11] Zamzamian, A., Rad, M.K., Neyestani, M.K., Jamal–Abad, M.T., (2014), An Experimental Study on the Effect of Cusynthesized/EG Nanofluid on the Efficiency of Flat–Plate Solar Collectors, Renewable Energy 71, pp. 658–664.
[12] Kim, H., Kim, J., Cho, H., (2017), Experimental Study on Performance Improvement of U–Tube Solar Collector Depending on Nanoparticle Size and Concentration of Al2O3 Nanofluid, Energy 118, pp. 1304–1312.
[13] Lu, Y, Chen, Z., (2019), Numerical Study on Heat Transfer Performance of Vacuum Tube Solar Collector Integrated with Metal Foams, International Journal of Low–Carbon Technologies, 14, pp. 344–350.
[14] Olfian, H., Ajarostaghi, S.A., Farhadi, M., Ramiar, A., (2020), Melting and Solidification Processes of Phase Change Material in Evacuated Tube Solar Collector with U–shaped Spirally Corrugated Tube, Applied Thermal Engineering 182, 116149.
[15] Pawar, V.R., Sobhansarbandi, S., (2020), CFD Modeling of a Thermal Energy Storage