با عنوان :  واکاوی اگزرژی آبگرمکن‌های خورشیدی

در ادامه مطلب می توانید تکه هایی از ابتدای این پایان نامه را بخوانید

و در صورت نیاز به متن کامل آن می توانید از لینک پرداخت و دانلود آنی برای خرید این پایان نامه اقدام نمائید.

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده فنی

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc.”

مهندسی مکانیک – تبدیل انرژی

عنوان:

واکاوی اگزرژی آبگرمکن‌های خورشیدی

برای رعایت حریم خصوصی اسامی استاد راهنما،استاد مشاور و نگارنده درج نمی گردد

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

چکیده:

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

آبگرمکنهای خورشیدی پرکاربردترین سیستمهای حرارتی خورشیدی در جهانند. اصلی‌ترین بخش آنها کلکتور خورشیدی می باشد که انرژی تابشی خورشید را جذب کرده و به سیال عامل انتقال می‌دهد. بهره گیری از راندمان قانون اول ترمودینامیک به عنوان یکی از مهمترین پارامترها جهت معرفی و مقایسه‌ی سیستمهای حرارتی مانند کلکتورهای خورشیدی به گونه متداول مورد بهره گیری قرار می‌گیرد. در حالیکه قانون اول ترمودینامیک به تنهایی قادر به اظهار عملکرد کمی و کیفی این سیستمها نمی‌باشد. در این پژوهش مدلی تئوری و جامع برای تحلیل انرژی (قانون اول ترمودینامیک) و اگزرژی (قانون دوم ترمودینامیک) کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت و لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی ارائه شده که در آن تاثیر مولفه‌های طراحی کلکتور روی عملکرد آن قابل مطالعه می باشد. پس از ارزیابی و تایید این مدل با بهره گیری از نتایج آزمایشات عملی به مطالعه تاثیر پارامترهای طراحی مختلف روی راندمان انرژی و اگزرژی کلکتور پرداخته شده می باشد.

مقدمه:

طبق آمار استخراج شده در سال 2006، %81 انرژی مصرفی در جهان توسط منابع فسیلی تامین می گردد [1]. با ادامه‌ی این طریقه علاوه بر معضلات حاصل از محدودیت این منابع، شاهد معضلات زیست محیطی بسیاری نیز خواهیم بود. گرم شدن زمین در اثر افزایش گازهای گلخانه‌ای یکی از مهمترین اثرات بهره گیری‌ی روز‍ افزون از انرژیهای فسیلی می باشد. افزایش پنج درصدی غلظت دی اکسید کربن که مهمترین گاز گلخانه‌ای به شمار می رود، در جو زمین در فاصله‌ی سالهای 1995 تا 2005 [1] نمونه‌ای از خطرات زیست محیطی ناشی از ادامه‌ی طریقه کنونی مصرف سوختهای فسیلی می باشد که موجب روی آوردن بیشتر بشر به بهره گیری از انرژیهای پاک و تجدیدپذیر شده می باشد. بطوریکه طبق سیاستهای چاپ گردیده بهره گیری از انرژیهای تجدیدپذیر در فاصله‌ی سالهای 2008 و 2035 سه برابر می گردد [2]. در میان انواع مختلف انرژیهای تجدیدپذیر انرژی خورشیدی به دلیل دسترسی آسان و هزینه کارکرد پایین همواره مورد توجه خاصی بوده می باشد. بهره گیری از این انرژی در دو مقیاس صنعتی (اکثراً با هدف تولید برق ) و خانگی ( اکثراً به مقصود تولید حرارت ) در چند دهه‌ی اخیر رشد چشمگیری داشته می باشد. در مناطق با آب و هوای گرم می‎توان تا %75 نیاز گرمایش آب را با بهره گیری از سیستمهای حرارتی خورشیدی تامین نمود. این درصد در مناطق با آب و هوای سرد اروپا تا %20 کاهش می‌یابد [1]. آبگرمکنهای خورشیدی به دلیل قیمت پایین و تکنولوژی ساده‌ترش پرکاربردترین سیستم حرارتی خورشیدی در جهان محسوب می شوند. اصلی‌ترین بخش این سیستمها، کلکتور خورشیدی می باشد که انرژی تابشی خورشید توسط آن جذب می گردد. کلکتور خورشیدی نوع خاصی از مبدل می باشد که انرژی تشعشع خورشید را به حرارت تبدیل می کند اما از جهات مختلف با مبدلهای حرارتی تفاوت دارد. در مبدلهای گرمایی، گرما معمولا از طریق جابجایی یا هدایت به سیال دیگر منتقل می گردد و انتقال گرما از طریق تابش در آنها بسیار ناچیز می باشد درحالیکه در یک کلکتور خورشیدی، انتقال حرارت از طریق تابش دارای نقشی اساسی می باشد. در سیستمهای خانگی عموماً از کلکتورهای صفحه تخت و لوله‌ای خلاء بهره گیری می گردد. شناخت و ارزیابی دقیق این کلکتورها می‌تواند تاثیر زیادی در طراحی بهینه‌ی آنها داشته باشد. عمده‌ی تحقیقاتی که در سالهای گذشته روی این کلکتورها صورت گرفته بر پایه‌ی قانون اول ترمودینامیک بوده می باشد. اما این تحلیل هيچگونه اطلاعاتی در مورد افت‌ها و بازگشتناپذیریهای داخلی نمی‌دهد و به تنهايی نمی‌تواند معيار مناسبی جهت ارزیابی کارايی کلکتورهای خورشيدی باشد. این امر لزوم بهره گیری از تحلیلهای بر پایه‌ی قانون دوم ترمودینامیک را نشان می‌دهد. واکاوی اگزرژی واضح ترین تحلیل بر پایه‌ی قانون دوم ترمودینامیک می باشد. که یکی از مهمترین مزایای آن نسبت به قانون اول در نظر گرفتن شرایط محیط می باشد که تاثیر بسیاری بر عملکرد سیستم و افزایش یا کاهش مصرف انرژی دارد. به همین دلیل در این پایان نامه به صورت تئوری و تجربی به مطالعه راندمان انرژی و اگزرژی دو نمونه کلکتور صفحه تخت و لوله‌ای خلاء موجود در سایت انرژی خورشیدی دانشگاه آزاد واحد تهران جنوب خواهیم پرداخت.

فصل اول: کلیات

1-1) هدف

انرژی خورشیدی یکی از مهمترین منابع انرژیهای تجدید پذیر و پاک به جهت جایگزینی سوختهای فسیلی می باشد که بهره گیری از آن در سراسر جهان رو به گسترش می باشد. این انرژی به صورت عمده به دو مصرف تولید برق و تولید حرارت می رسد. عمومی ترین مصرف این انرژی در آبگرمکن های خورشیدی می باشد. در ارزیابی کارایی آبگرمکنهای خورشیدی از واکاوی انرژی ( قانون اول ) به گونه گسترده ای بهره گیری شده، اما واکاوی قانون اول به تنهایی معیار مناسبی برای ارزیابی کارایی این سیستمها نیست، یکی از مهمترین مزایای واکاوی قانون دوم نسبت به قانون اول در نظر گرفتن شرایط محیط می باشد که تاثیر بسیاری بر عملکرد سیستم و افزایش یا کاهش مصرف انرژی دارد، به همین دلیل لازم می باشد سیستم بر مبنای قانون دوم ( واکاوی اگزرژی ) نیز مطالعه گردد تا بتوان تحلیل بهتری برای بازدهی سیستم و همچنین یافتن نقایص ترمودینامیکی و فرایندهایی از سیستم که امکان رشد و پیشرفتشان از لحاظ ترمودینامیکی هست ارایه داد.

در این پایان نامه روابط ترمودینامیکی و انتقال حرارت در کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت و لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی برای تحلیل آنها بر پایه‌ی قوانین اول و دوم ترمودینامیک با بهره گیری از کمترین فرضیات به مقصود بدست آوردن راندمانهای انرژی و اگزرژی آنها و همچنین مطالعه تاثیر تغییر پارامترهای طراحی بر عملکرد کلکتورها مورد مطالعه قرار می‌گیرند. مطمئناً نتایج حاصله در کلیه سیستمهای حرارتی خورشیدی از قبیل گرمایشی و سرمایشی که از این کلکتورها بهره گیری می‌کنند قابل بهره گیری می‌باشند.

1-2) پیشینه‌ی پژوهش

در سیستمهای خورشیدی به دلیل هزینه اولیه نسبتاً زیاد، نیاز به ارزیابی دقیق و ارائه راهکارهایی جهت بهبود عملکرد و کارایی ضروری به نظر می رسد. در سالهای اخیر مطالعاتی در زمینه واکاوی اگزرژی انواع مختلف سیستمهای خورشیدی صورت گرفته که عمده‌ی آنها روی کلکتورهای صفحه تخت می‌باشد. در این بخش به مطالعه و مرور چند نمونه از تحقیقاتی که روی آبگرمکنهای خورشیدی و کلکتورهای خورشیدی که در واقع مهمترین بخش آبگرمکن می باشد انجام شده‌اند خواهیم پرداخت.

در سال 1986 جی. آر. هال [3] به وسیله‌ی مدلسازی یک کلکتور خورشیدی لوله‌ای خلاء با لوله‌ی حرارتی به مطالعه مراحل انتقال حرارت از سطح جاذب کلکتور به آب پرداخته و با بهره گیری از پارامترهای بدست آمده، راندمان حرارتی کلکتور را مورد مطالعه قرار داده می باشد. نویسنده در این پژوهش به مطالعه فرایندهای انتقال حرارت در کلکتور نپرداخته اما مدل کارامدی برای بهره گیری از روابط کلی انتقال حرارت مفید در کلکتورهای با تعداد مختلف لوله‌های خلاء ارائه کرده می باشد.

در سال 1988 آکیو سوزوکی [4] در مقاله‌ای به مطالعه روابط اساسی در تحلیل اگزرژی کلکتورهای خورشیدی پرداخته و پس از آن دو مدل کلکتور صفحه تخت و لوله‌ای خلاء را با فرض ثابت بودن ضریب افت حرارت کلی[1] از دیدگاه اگزرژی مقایسه کرده می باشد. که به دلیل افت راندمان اپتیکی در نتیجه‌ی وجود فاصله بین لوله‌های شیشه‌ای در کلکتور لوله‌ای خلاء، نتایج مقایسه‌ی صورت گرفته بسیار به هم نزدیک بوده‌اند.

در سال 1989 سی. آی. ازکوی [5] در یک سیستم حرارتی خورشیدی از لوله‌های حرارتی برای جذب و انتقال انرژی تابشی خورشید به آب بهره گیری کرده می باشد. البته این سیستم با کلکتورهای لوله‌ای خلاء تفاوت دارد. و بیشتر شبیه کلکتور صفحه تختی می باشد که از لوله حرارتی به جای صفحه جاذب و لوله‌های داخل آن بهره گیری شده باشد. نتایج حاصل از مطالعه مدل طراحی شده نشان‌دهنده‌ی پایینتر بودن ضریب دفع حرارت[2] در این کلکتور به نسبت کلکتورهای صفحه تخت معمولی می باشد.

در سال 2000 سی. یاپ و همکارانش [6] به مطالعه روابط انتقال حرارت در کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی پرداختند. نویسندگان در این مقاله با مطالعه مقاومتهای حرارتی در مسیر انتقال حرارت از سطح جاذب به آب، روابطی برای محاسبه‌ی ضریب اتلاف حرارت و حرارت مفید منتقل شده به آب ارائه کردند. هرچند که در این پژوهش از مدل مقاومت الکتریکی مناسبی جهت تحلیل رفتار کلکتور ارائه شده، اما بعضی از روابط انتقال حرارتی بهره گیری شده مختص جریانهای داخلی مغشوش[3] هستند و بهره گیری‌ی آنها برای جریانهای آرام مناسب نیست.

در سال 2003 لاندانو و ریورا [7] مدلی برای مطالعه رفتار کلکتورهای حجمی خورشیدی[4] تهیه کرده اند که تاثیر پارامترهای طراحی را روی عملکرد کلکتور مطالعه می کند. این مدل بر پایه بهره گیری از اعداد بی بعد می باشد که مفهوم فیزیکی مشخصی در سیستم دارند و از این مدل جهت تحلیل ترمودینامیکی کلکتورهای حجمی برای افزایش اگزرژی خروجی در آنها بهره گیری شده می باشد. کلکتور حجمی کلکتوری می باشد که از رابط نیمه شفاف برای جمع کردن تشعشع خورشید روی ماده جامد یا نیمه شفاف ناقل حرارت بهره گیری می کند. نمونه‌ی این نوع کلکتورها حوضچه های خورشیدی[5] می باشند. در این مقاله آغاز با بهره گیری از معادلات بی بعد شدهی انتقال حرارت توزیع دما در کلکتور مورد مطالعه قرار گرفته و در مرحله بعد اگزرژی خروجی از کلکتور به عنوان نشانه‌ای از ارتباط بین راندمان و دمای پایین کلکتور، که می تواند معیار مناسبی جهت سنجش راندمان و دمای بهینه‌ای که اگزرژی خروجی را حداکثر می کند باشد، به صورت ارتباط‌ای بی بعد بدست آورد شده می باشد. در حقیقت این ارتباط نشان دهنده‌ی درصدی از انرژی خورشید می باشد که توسط کلکتور جذب شده و می تواند به کار تبدیل گردد. در مرحله بعد تغییرات اگزرژی خروجی با راندمان انرژی بر حسب مقادیر مختلف پارامتر بی بعد عرض کلکتور مطالعه شده که نتایج آن نشان می دهد برای یک راندمان مشخص عمق بهینه ای هست که اگزرژی خروجی را بیشینه می کند و با رعایت این نکته می توان به راندمان بالاتر، عمق کمتر و اگزرژی خروجی بیشتر دست پیدا نمود. عدد بی بعد دیگری نیز برای خواص مواد بکار رفته در کلکتور تعریف شده که نتایج نشان می دهد بالاتر بودن این عدد موجب افزایش اگزرژی خروجی می گردد. در ادامه نویسندگان به بهینه سازی عملکرد کلکتور بر حسب پارامترهای بی بعد و همچنین متغیر عمق کلکتور پرداخته اند که حاصل آن بدست آمدن ارتباط ای برای تغییرات راندمان بهینه کلکتور با عمق آن می باشد. در صورتی که عمق کلکتور صفر فرض گردد ، کلکتور حجمی تبدیل به کلکتور صفحه تخت می گردد ، اما گرافهای بدست آمده نشان می دهند که اگزرژی خروجی از کلکتور حجمی بسیار بیشتر از کلکتور صفحه تخت در شرایط مشابه می باشد.

در سال 2005 لومینوسا و فارا [8] تحقیقی با هدف نشان دادن وابستگی اگزرژی به نرخ جریان سیال و سطح کلکتور صفحه تخت و تاثیر این دو پارامتر در عملکرد کلکتور انجام دادند. روش بکار رفته شده در این پژوهش دامنه وسیعی از مقادیر ممکن برای دبی سیال ورودی ارائه می‌دهد اما در مورد اینکه مدل انتخاب شده بهترین حالت باشد با اطمینان اظهار نظر نمی کند. مدلهای تحلیلی برای راندمان انرژی و اگزرژی با در نظر گرفتن فرضیات مسئله مورد مطالعه قرار گرفته وسپس این مدلها به یک برنامه محاسباتی به نام رِکس که در محیط نرم افزار توربو پاسکال نوشته شده منتقل شده‌اند. در این برنامه راندمان اگزرژی، راندمان انرژی، دمای خروجی سیال از کلکتور، شدت جریان سیال و سطح کلکتور به عنوان پارامترهای قابل تغییر در نظر گرفته شده اند. راندمان اگزرژی به صورت تابعی از دبی و سطح مورد مطالعه قرار گرفته و توسط برنامه کامپیوتری یک نقطه ماکزیمم کلی بدست آمده می باشد. واکاوی اگزرژی ارائه شده در این مقاله بر پایه فرض برابری دمای ورودی سیال به کلکتور با دمای محیط و ثابت بودن ضریب افت حرارت کلی می باشد.

در سال 2005 هاوُ بن و وانگ ژیائو [9] با هدف دستیابی به روشهای جدید صرفه جویی در هزینه ها و حفظ و بالا بردن راندمان آبگرمکنهای خورشیدی در مقیاس خانگی و همچنین سنجش میزان اتلاف اگزرژی به تحلیل اگزرژتیک آبگرمکنهای خورشیدی پرداختند. واکاوی صورت گرفته بر مبنای تئوری می باشد که تحلیل فرایندها را به سه مرحله تقسیم می کند. بر اساس این تئوری که توسط پرفسور هاوُ بن ارائه شده می باشد [10] می‌توان فرآیندهای تکنولوژیک را به سه زیر مجموعه‌ی نزدیک به هم تقسیم نمود. فرایند تبدل، پروسه ی بهره برداری و پروسه ی بازگشت به حالت ابتدایی. در مقایسه با سایر تئوریهای واکاوی انرژی، تئوری فرایند سه مرحله ای مزایای قابل توجهی نشان داده می باشد. در حقیقت این تئوری سیستم را در یک ساختار مناسبتری جهت واکاوی انرژی در اختیار ما قرار می دهد. روابط تئوری اگزرژی برای آبگرمکنهای ترموسیفون و با فرض توزیع خطی دما در مخزن ذخیره آب ساده شده اند. داده های مورد بهره گیری در روابط تئوری به صورت تجربی و توسط مرکز تست آبگرمکنهای خانگی خورشیدی چین بدست آمده می باشد. راندمان انرژی و اگزرژی سیستم تست شده به ترتیب در حدود 15 و 77/0 درصد می‌باشند. پایین بودن راندمان اگزرژی می تواند نشان دهنده ی کیفیت خیلی پایین انرژی خروجی از آبگرمکن باشد. در ادامه با بهره گیری از داده های تجربی تغییرات رندمان اگزرژتیک کلکتور صفحه تخت بر حسب عرض آن و با در نظر گرفتن مقادیر مختلف ضریب اتلاف حرارتی کلکتور که نشان دهنده ی سه نوع کلکتور با پوشش تک لایه ، دو لایه و سه لایه می باشد مطالعه شده می باشد. و طی آن نظاره می گردد که راندمان اگزرژی کلکتور با افزایش عرض و ضریب اتلاف حرارتی کاهش می یابد. در نتیجه برای دستیابی به راندمان بالاتر بایستی کلکتور کوچکتر و با اتلاف حرارتی کمتر طراحی طراحی گردد. با در نظر داشتن نتایج بدست آمده کلکتور با پوشش دو لایه و عرض صفحه بین 5 تا 10 سانتی متر برای آبگرمکنهای خنگی خورشیدی پیشنهاد شده می باشد.

تعداد صفحه :83

قیمت :  تومان14700

***

—-

پشتیبانی سایت :       

———-          serderehi@gmail.com

دیدگاهتان را بنویسید