توضیحات
پروژه شبیه سازی کلکتور خورشیدی صفحه تخت در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Flat Plate Solar Collector in ANSYS FLUENT
كشور ايران بين مدارهاي ٢٥ تا ٤٠ درجه عرض شمال قرارگرفته و در منطقه اي واقع شده است كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيد بين نقاط جهان در بالاترين رده ها قرار دارد. سيستم هاي گرمايش خورشيدي در كشورهايي كه پتانسيل بالايي از دريافت تابش خورشيد دارند، بسيار مورد استفاده است. طبق آمار در ايران به طور متوسط سالانه بيش از ٢٠٠ روز آفتابي گزارش شده كه قابل توجه است، بنابراين استفاده از سيستمها و تجهيزات خورشيدي در ايران بسيار به صرفه مي باشد. آبگرمكن هاي خورشيدي كه طي سالهاي اخير وارد كشور شده اند ابزارهاي مناسبي براي صرفه جويي در مصرف سوخت هستند. اين آبگرمكن ها شامل كلكتورهاي خورشيدي، منبع ذخيره آب و ساير لوازم هستند. كلكتور، اصلي ترين جزء يك سيستم گرمايش خورشيدي است. كلكتورهاي خورشيدي به منظور جذب تابش خورشيد و تبديل آن به انرژي گرمايي طراحي مي شوند. امروزه انواع، اشكال و ابعاد مختلفي از كلكتورهاي خورشيدي در بازار وجود دارد كه بسته به شرايط محيطي، كلكتور مناسب تعيين مي گردد.
كلكتورهاي خورشيدي(solar collector):
عنصر اصلي سيستم هاي خورشيدي، كلكتور خورشيدي است. كلكتورهاي خورشيدي نوع خاصي از مبدلهاي حرارتي هستند، كه انرژي تابشي خورشيدي را به انرژي داخلي تبديل مي كنند. كلكتور خورشيدي وسيله اي براي جذب انرژي خورشيدي ورودي، تبديل آن به حرارت و انتقال حرارت به سيال( معمولاً آب، هوا يا روغن) عبوري از كلكتور، مي باشد. كلكتورهاي خورشيدي به دو نوع عمده كلكتورهاي ثابت و كلكتورهاي غير متمركز تقسيم مي شوند. كلكتورهاي ثابت براي هميشه در يك حالت ثابت نصب مي شوند و در برابر اشعه خورشيد تغيير مسير ندارند. چهار نوع عمده از اين نوع كلكتورها عبارتند از:
1-كلكتورهاي سهموي ثابت(Concentrating parabolic collector)
2-كلكتورهاي لوله خلاء(Evacuated tub collector)
3-كلكتورهاي بدون پوشش(Unglazed collector)
4-كلكتورهاي صفحه تخت(Flat plate collector)
برای جمع آوری انرژی خورشیدی از صفحات جاذب کلکتور استفاده می شود. پوشش های انتخابی برای صفحات جاذب جهت بهبود راندمان به کاربرده شده و یک سیال حرارتی انرژی جمع شده را جذب می کند. به عبارت دیگر کلکتور دستگاهی است برای تبدیل انرژی خورشیدی به صورت قابل استفاده تر یا ذخیره شدنی تر به صورت گرما و انتقال حرارت به سیال در حال عبور از کلکتور. کلکتورهای گرمایش خورشیدی با توجه به نوع فرآیند مورد استفاده به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند. یک نوع تقسیم بندی مربوط به نوع کلکتور است که به انواع متمرکزکننده و غیر متمرکز کننده قابل تقسیم بندی است تقسیم بندی دیگر آن مربوط به کارایی و درجه حرارت تولیدی کلکتور است. کلکتورهای صفحه تخت متعارف و کلکتورهای لوله خلا هر دو درجه حرارتی در سطح حداکثر ۱۲۰ درجه سانتی گراد فراهم می کنند. کلکتورهای لوله خلأ نسبت به کلکتورهای صفحه تخت درجه حرارت بالاتری را فراهم می کنند و برای شرایط آب و هوایی سرد مناسب تر هستند. ای کلکتورها برای کاربردهایی با درجه حرارت پایین مانند تصفیه فاضلاب و گرمایش استخر و کاربردهایی نظیر گرمایش آب و فضا در فضای مسکونی و تجاری مورداستفاده قرار می گیرند. فناوری های هردو کلکتور در حد بالغی است و پتانسیل خوبی در صنایع گرمایی با درجه حرارت پایین دارند.
کلکتورهای سهموي ثابت:
اين نوع كلكتورها قابليت بازتاب اشعه هاي خورشيدي را بدون هيچ محدوديتي به جاذب دارند. ضرورت حركتمتمركز كننده به منظور منطبق كردن تغييرات جهت گيري خورشيدي مي تواند با استفاده از دو بخش سهوي جدا از هم كاهش پيدا كند. جهت گيري كلكتورهاي CPC به زواية پذيرش آن بستگي دارد. اين كلكتورها معمولاً با يك پوشش شيشه اي از اثرات گرد وغبار و ورود مواد به درون آن و كاهش اثر بازتاب آن محافظت مي شوند. دو نوع عمده از اين دسته كلكتورها به صورت متقارن و نامتقارن طراحي مي شوند. اين كلكتورها معمولاً از دو نوع جاذب استفاده مي كنند: نوع پره با لوله و نوع جاذب لوله اي.
شكل نمايي از كلكتور CPC.
کلکتورهای لوله خلأ :
اين نوع كلكتورها شامل لوله هاي حرارتي درون يك لولة خلاء بسته شده است. اين كلكتورها نشان دادند با استفاده از يك سطح برگزيده و عايق انتقال حرارت، مي تواند عملكرد خوبي در دماي بالا داشته باشند. پوشش خلاء انتقال حرارت هدايتي و جابجايي را كاهش مي دهد، بنابراين دماي عملياتي اين كلكتورها بالا است. تخليه هوا ازلوله ها باعث به وجود آمدن عايقي مناسب براي به حداقل رساندن اتلاف حرارت از لولة داخلي مي شود. پوشش سياه لولة داخلي انرژي خورشيد را جذب و به آب منتقل مي كند. آب داخل لولة بالايي خلاء گرم و در نتيجه سبكتر مي شود، بنابراين در تانك شروع به بالا رفتن مي كند. در همان لحظه آب سرد كه سنگين است در تانك به سمت پايين مي رود و در پايين ذخيره مي شود. اين پديده گردش طبيعي ناميده مي شود، كه در هر لوله اتفاق مي افتد.
شکل كلكتور لوله خلأ.
کلکتورهای بدون پوشش:
دسته بندي ديگري از كلكتور، كلكتورهاي خورشيدي بدون پوشش و بدون شيشه هستند. اين نوع كلكتورها معمولاً داراي قيمت هاي پايين هستند و در كاربرد مورد نظر، انرژي گرمايي خورشيدي مقرون به صرفه ايي ارائه مي كنند. مانند پيش گرم كن آب خانگي يا صنعتي، گرم كردن آب استخر، گرم كردن فضا، گرم كردن هوا براي صنعت يا كاربرد كشاورزي. عموماً اين نوع كلكتورها در مواردي كه دماي عملياتي كلكتور نسبت به محيط نزديك باشد به كار مي رود. اين كلكتورها، معمولاً كلكتورهاي پانلي ناميده مي شود كه شامل يك ورقه جاذب بزرگ ساخته شده از پلاستيك، شامل معابر عبور سيال است. موارد به كار رفته براي كلكتور پانلي شامل پلي پروپيلين، پلي اتيلن، اكريليك و پلي كربنات است.
كلكتورهاي صفحه تخت:
كلكتورهاي خورشيدي صفحه تخت پركاربردترين نوع كلكتور مورد استفاده در سيستمهاي گرمايش خورشيدي ساختمانهاي مسكوني براي گرم كردن فضا و آب مصرفي به شمار مي روند. وقتي كه اشعه هاي خورشيدي از پوشش شفاف شيشه اي عبور مي كنند و به صفحه جاذب سياه با قابليت جذب بالا برخورد ميكنند، بخش عظيمي از اين انرژي بوسيله صفحه جاذب جذب و به سيال عامل درون لوله ها جهت ذخيره سازي انرژي يا استفاده از آن انتقال داده مي شود. سطح زيرين صفحه جاذب و دو طرف آن جهت كاهش اتلاف حرارتي به خوبي عايق شده است. لوله ها يا به صفحه جاذب جوش خورده اند يا در صفحه جاذب ادغام شده اند. لوله ها در دو سر خود به شاه لوله هاي اصلي با قطر بالا متصل هستند. كلكتور با طراحي لوله و شاه لوله يك نمايش معمولي از كلكتورهاي صفحه تخت است.
طرح ديگري از كلكتور صفحه تخت شكل مارپيچ آن است. اين كلكتورها مشكلاتي از قبيل توزيع غير يكنواخت سيال را در لوله ها ندارند اما از طرفي هم نمي توانند در حالت ترموسيفون به طور مؤثر كار كنند و براي چرخش سيال به پمپ احتياج دارند. صفحه جاذب مي تواند يك صفحه مجزا باشد كه همه لوله ها روي آن ثابت شده باشد يا اينكه هر لوله به صورت مجزا روي پره ي جداگانه ثابت شده باشد.
کلکتورهای صفحه تخت از کلکتورهای غیر متمرکز کننده می باشند. کلکتورهای صفحه تخت که در سال ۱۹۵۰ توسط هاتل و ویلیر توسعه داده شدند از رایج ترین کلکتورها هستند. آنها شامل یک جاذب انرژی خورشیدی از نوع صفحه تخت به رنگ تیره، یک پوشش شفاف که اجازه عبور انرژی خورشید را می دهد و تلفات گرمایی را کاهش می دهد، یک سیال انتقال دهنده گرما برای انتقال گرما از جاذب و یک عایق حرارتی در پشت تعبیه شده است. جاذب شامل یک ورقه جاذب نازک (پلیمری که از لحاظ گرمایی پایدار است، آلومینیوم، فولاد یا مس که یک پوشش سیاه یا ویژه در آن به کار می رود) است که اغلب بر آن شبکه یا کویلی از اتصالات سیال در یک چهارچوب عایق شده با شیشه یا کاور پلی کربنات قرار می گیرد. در پنل های گرمایش آب سیال معمولا از طریق لوله ها به چرخش در می آید تا حرارت را از طریق جاذب به مخزن آب عایق شده منتقل کند.
شكل كلكتور صفحه تخت.
شماتیکی از کلکتور صفحه تخت.
شكل نمایی از کلکتور صفحه تخت.
پوشش شفاف شيشه اي با ايجاد يك لايه ساكن هوا بين صفحه جاذب و شيشه باعث كاهش اتلاف حرارتي از صفحه جاذب مي شود. چون شيشه براي اشعه هاي با طول موج بلند منتشر شده بوسيله صفحه جاذب تقريباً مات است، تابش از دست رفته از كلكتور را كاهش مي دهد (اثر گلخانه اي).
اجزاي اصلي كلكتورهاي خورشيدي صفحه تخت عبارتند از:
پوشش: يك يا چند ورقه شيشه اي يا ماده انتقال دهنده تابش خورشيدي.
گذرگاه سيال: لوله، پره يا معابري كه سيال انتقال حرارت از ورودي تا خروجي طي مسير كند.
صفحه جاذب: صفحات صاف، راه راه يا شياردار با لوله، پره يا معابر وابسته به آن. صفحه معمولاً با يك لايه با قابليت جذب بالا و نشر پايين پوشش داده مي شود.
هدر: لوله ها و مجاري براي ورود و خروج سيال.
عايق: براي حداقل كردن اتلاف حرارتي از پشت و كناره هاي كلكتور.
قالب: پوششي كه عناصر مزبور را احاطه مي كند و در برابر گرد و غبار و رطوبت و… از آنها محافظت مي كند.
كلكتورهاي صفحه تخت داراي تنوع وسيعي از متد ساخت و مواد مورد استفاده هستند و هدف عمده ي آنها جمع آوري حداكثر انرژي خورشيدي با كمترين قيمت كلي ممكن است. سيال انتقال حرارت آنها معمولا آب، آب+ مكمل ضد يخ يا هوا است.
شكل اجزاي كلكتور صفحه تخت.
كلكتورها بايد با وجود اثرات مضر اشعه فرابنفش خورشيد و خوردگي و گرفتگي به خاطر اسيدي بودن، قليايي بودن يا سختي سيال انتقال حرارت، يخ زدن آب يا نشت گرد و غبار يا رطوبت روي شيشه و شكست شيشه به خاطر نوسانات گرمايي، تگرگ يا ديگر موارد عمر مؤثر طولاني داشته باشند.
کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت نسبت به کلکتورهای متمرکزکننده ساختمان ساده تری دارند و همچنین هزینه ساخت و نگهداری آنها نسبت به متمرکز کننده کمتر است. این نوع کلکتورها در مواردی که به دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سلسیوس نیاز است استفاده می شوند مانند خشک کن های خورشیدی و گرمایش ساختمان. در کلکتورهای صفحه ساده تابش خورشید از پوشش شیشه ای عبور نموده و توسط صفحه جاذب جذب می شود. جریان هوا از کانال ایجاد شده وارد می شود و گرمای جذب شده به هوا انتقال می یابد. هوا با حرکت در طول مسیرش، افزایش دما یافته و این هوای گرم قابل استفاده در مصارف مختلفی است، از جمله خشک نمودن محصولات کشاورزی، گرم نمودن فضای اطراف، گرمایش فرایندهای صنعتی، تهویه مطبوع و …. .
اقتصادی ترین روش جمع آوری انرژی خورشید، استفاده از کلکتورهای صفحه تخت است. کلکتور خورشیدی صفحه تخت نوعی مبدل حرارتی است که انرژی تابشی خورشید ( تابش مستقیم و پراکنده) را به انرژی گرمایی تبدیل می کند. از کلکتورهای صفحه تخت در هواگرمکن های خورشیدی و آبگرمکن های خورشیدی استفاده می شود. یک کلکتور صفحه تخت به طور کلی شامل اجزا زیر است:
1- جداره یا پوشش شفاف که معمولا شیشه بوده و ممکن است یک لایه و یا چند لایه باشد.
2-صفحه جذب کننده که معمولا سیاه رنگ و با ضریب جذب بالای تابش حرارتی بوده که لولدها و گذرگاهها به آن متصل می شوند.
3-لوله ها و گذرگاهها که می توانند با شکل های مختلف باشند و برای هدایت سیال حامل حرارت بکار برده می شوند(در آبگرمکن خورشیدی).
4-جمع کننده ها و تقسیم کننده ها برای عبور و تخلیه سیال حامل حرارت (در آبگرمکن خورشیدی).
5-عایق حرارتی که برای کاهش اتلافات حرارتی کلکتور، از سمت پشت و اطراف کلکتور به کار برده میشود.
6- بدنه و قاب کلی کلکتور، که برای حفاظت و نگهداری اجزا بیان شده ساختمان کلکتور را تکمیل می کند.
نرم افزار فلوئنت:
نرم افزار فلوئنت(Fluent) یک نرم افزار مهندسی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) برای مدل کردن جریان سیال و انتقال حرارت در هندسده های پیچیده است. این نرم افزار امکان تغییر شبکه، به صورت کامل و تحلیل جریان برای هندسده های پیچیده را فراهم می سازد. نوع مش های قابل دریافت توسط این گروه نرم افزاری شامل شبکه هایی با المان های مثلثی و چهار ضلعی (برای هندسه های دوبعدی) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی (برای هندسه های سه بعدی) است. همچنین فلوئنت به کاربر اجازه ی بهبود شبکه (مثلا ریز کردن یا درشت کردن شبکه در مرزها و مکان های لازم در هندسه) را می دهد.
نرم افزار فلوئنت با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی قابلیت انعطاف این زبان بهره می برد. درنتیجه این نرم افزار استفاده از حافظه دینامیک، ساختار مناسب داده ها و اطلاعات و کنترل انعطاف پذیر محاسبات را ممکن می سازد. این نرم افزار قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و به عنوان یک اختیار، کاربر می تواند هر کدام را انتخاب نماید. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی است، بنا شده است. قابلیت های فراوانی مانند مدل سازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان های لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر نرم افزار انسیس فلوئنت را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی کلکتور خورشیدی صفحه تخت در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه کلکتور خورشیدی صفحه تخت در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شده است.
مش بندی:
شبکه و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت(FLUENT) انجام شده است.
جهت حل مسئله از حل کننده فشار مبنا (Pressure based) استفاده شده است.
مدل آشفتگی دو معادله ای Realizable K-epsilon استفاده شده است.
برای ارتباط فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادلات فشار از طرح مرتبه دوم و برای گسسته سازی معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالاست مرتبه دوم(second upwind order) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
