بررسی تأثیر تخلخل بر عملکرد ترموهیدرولیکی یک کلکتور هواگرم خورشیدی به-همراه موانع متخلخل

مستخرج از پایان نامه

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و پنجم، شماره پنج، مردادماه 1402 (13-25)

بررسی تأثیر تخلخل بر عملکرد ترموهیدرولیکی یک کلکتور هواگرم خورشیدی به­همراه موانع متخلخل

امین قلعه­نوئی [1]

مجید سبزپوشانی[2] ^*

spooshan@kashanu.ac.ir

چکیده

زمینه و هدف: به­دلیل خواص فیزیکی-حرارتی نامطلوب هوا، کلکتور‌های هواگرم از راندمان حرارتی بالایی برخوردار نیستند و نیاز است تا به کمک شیوه‌های مختلف راندمان آنها را بهبود بخشید. در این پژوهش به­صورت تجربی تأثیر استفاده از موانع متخلخل بر روی عملکرد گرمایی و هیدرولیکی کلکتور مورد بررسی قرار گرفت و با عملکرد یک کلکتور ساده مقایسه شد.

روش بررسی: یک دستگاه کلکتور هواگرم خورشیدی طراحی و ساخته شد و تحت شرایط محیطی شهرستان آبادان در استان خوزستان مورد آزمایش قرار گرفت. سه نوع مختلف موانع متخلخل با سه اندازه سوراخ (3، 4 و 5 سانتی­متر) بر روی صفحه جاذب کارگذاشته شد. پارامترهای اندازه­گیری شده شامل دمای هوای ورودی و خروجی، دمای صفحه جاذب، افت فشار و تابش خورشید می­شود. اندازه­گیری­ها در ماه آذر برای دو مقدار مختلف جریان جرمی هوا ( 0218/0 و 0364/0 کیلوگرم بر ثانیه) انجام شد.

یافته‌ها: مشخص شد که استفاده از موانع متخلخل باعث افزایش اختلاف دما بین ورودی و خروجی از کلکتور و راندمان سیستم در مقایسه با یک کلکتور ساده می­شود. همچنین مشخص شد که در تمامی موارد با افزایش دبی جرمی، راندمان گرمایی و مؤثر سیستم افزایش و اختلاف دمای بین هوای ورودی و خروجی کاهش می­یابد. اختلاف دما در بهترین حالت (موانع با سوراخ­های cm 3) برای هر دو دبی 2 برابر نسبت به کلکتور ساده افزایش داشت. همچنین بیشترین مقدار میانگین راندمان گرمایی برای دو دبی 68% و 83% و میانگین راندمان مؤثر 4/28% و 1/%34 به دست آمد.

بحث و نتیجه گیری: با کاهش ابعاد سوراخ­های درون موانع، نرخ انتقال حرارت و راندمان گرمایی کلکتور به­واسطه افزایش اغتشاش جریان افزایش می­یابد. این امر موجب بالا رفتن افت فشار نیز می­گردد اما همچنان تأثیر مثبت افزایش اختلاف دما بر تأثیر منفی افزایش افت فشار غلبه می­کند و در نهایت مشخص می­شود نسبت مستقیمی بین زیاد شدن راندمان مؤثر با کم شدن اندازه قطر سوراخ­ها وجود دارد.

واژه‌های کلیدی: هواگرم­کن خورشیدی، موانع متخلخل، راندمان گرمایی، راندمان مؤثر، افت فشار.

Investigation the effect of porosity on the thermohydraulic performance of a solar air collector with perforated obstacles

Amin Ghalenoei [3]

Majid Sabzpooshani [4] ^*

spooshan@kashanu.ac.ir

Abstract

Background and Objective: Due to undesirable thermo-physical properties of the air, the solar air collectors do not benefit from the high thermal efficiency and need to be improved with the help of different methods. In this study, the effects of using various obstacles on the thermohydraulic performance of a collectors were examined experimentally and compared to the performance of a simple collector.   

Material and Methodology: A solar air collector was designed, built and tested under the environmental conditions of Abadan city in Khuzestan province. Three different perforated obstacles with three hole sizes (3, 4 and 5 cm) were placed on the absorber plate. Measured parameters include the temperature of inlet and outlet air, absorber plate, pressure drop and solar radiation. Measurements were made for two different air flux (0.0218 and 0.0364 kg/s).  

Findings: It has become clear that using various perforated obstacles increases the temperature difference between inlet and outlet air and subsequently their efficiencies compared to a simple conventional collector. It was also noted that in all cases, the increase in mass flowrate causes increasing the effective and thermal efficiency of system and decreasing the temperature difference between inlet and outlet air. Temperature difference in the best case (perforated obstacles with 3 cm holes) for each of the two flowrates increases twice compared to the simple collector. Also, the highest amount of average efficiency for two flowrates is 68% and 83% and the average effective efficiency is 28.4% and 34.1%. 

Discussion and Conclusion: With the reduction of sizes of the holes in the perforated obstacles, the rate of heat transfer and subsequently the thermal efficiency of the collector will increase due to increasing the turbulence of the flow. This causes the pressure drop to rise up as well but also has a positive effect of increasing the temperature difference which dominates the negative effect of the pressure drop and eventually it becomes clear that there is a direct relation between increasing the effective efficiency with reducing the size of the holes.

Keywords: Solar air heater, perforated obstacles, thermal efficiency effective efficiency, Pressure drop.

مقدمه

افزایش آلودگی هوا و ایجاد گرمایش جهانی در اثر استفاده بی­رویه از سوخت­های فسیلی، توجه عموم را به سمت تغییرات آب و هوایی معطوف نموده است. بر همین اساس انتظار افزایش تقاضا برای سایر انرژی­های جایگزین به­خصوص انرژی خورشیدی قابل پیش­بینی است. در کشور ما ایران نیز بحث استفاده از این انرژی با توجه به پتانسیل بالای منطقه در دریافت تابش­های خورشیدی، همواره به­عنوان یکی از اولویت­های سرمایه­گذاری وزارت صمت مطرح بوده است (1). آب­گرم­کن خورشیدی و هواگرم­کن خورشیدی به­طور معمول برای کاربردهای حرارتی خانگی و سایر کاربردهای دما پایین گرمایی استفاده می­شوند. پیشرفت­های حاصل شده در دهه گذشته در زمینه هواگرم­کن­ها منجر به سادگی ساخت و پایین آمدن قیمت آن شده است. از هواگرم‌کن‌ها معمولاً برای تهیه هوای گرم جهت خشک­کردن محصولات کشاورزی و پیش‌گرمایش هوای تازه در صنایع، تهویه مطبوع، آب گرم خانگی، خشک‌کن‌ها و دیگر فرآیندهای صنعتی و حرارتی استفاده می‌شود. هواگرم‌کن‌های صفحه تخت به لحاظ سادگی ساختار، قطعات مورد نیاز، قیمت، پیچیدگی و تعمیر و نگه‌داری برتر از آب‌گرم‌کن‌ها هستند. همچنین در عمل با مشکلاتی از قبیل گرفتگی، نشتی، خوردگی و یخ بستن آب مواجه نمی‌شوند. با وجود تمامی‌ این مزایا، برخی معایب نیز وجود دارد که باعث محدود شدن عملکرد حرارتی آن‌ها می‌گردد. نظر به خواص فیزیکی-حرارتی نامطلوب هوا مانند چگالی کم و ظرفیت حرارتی پایین، نرخ انتقال حرارت بین صفحه جاذب و جریان سیال کم است، که در نتیجه منجر به کمتر شدن راندمان حرارتی هواگرم‌کن‌های خورشیدی می‌گردد.

به منظور بهبود عملکرد حرارتی هواگرم‌کن‌ها، تغییرات مختلفی در ساختار این وسیله توسط محققان مطرح و بحث شده است. از مهم‌ترین تغییرات ایجاد شده در ساختار ساده اولیه هواگرم­کن، اضافه نمودن زبری­های مصنوعی، بافل­ها و یا موانعی در کانال عبور هوا است. این امر منجر به آشفته شدن جریان و درنتیجه بالا رفتن ضریب انتقال حرارت بین هوا و صفحه جاذب می‌شود. افزایش ضریب انتقال حرارت به معنای افزایش انتقال حرارت همرفتی بین هوا و جاذب است که گرمای مفید دریافتی را بیشتر نموده و منجر به بهبود راندمان گرمایی سیستم می­گردد. اما از سوی دیگر افت فشار درون کانال نیز با بیشتر شدن موانع افزایش پیدا خواهد کرد که این امر نیز منجر به افزایش توان ورودی دمنده شده و در نتیجه راندمان کلکتور کاهش پیدا می­کند. محققان همواره به دنبال ترکیب بهینه­ای هستند که حداکثر افزایش نرخ انتقال حرارت را با حداقل افت فشار به همراه داشته باشد.

احمد زید و همکاران (2) و آبنه و همکاران (3) موانع مختلفی را در مسیر هوا درون یک کلکتور خورشیدی به­کار بردند تا دمای خروجی هوا از کلکتور را افزایش داده و زمان لازم برای خشک کردن محصولات کشاورزی (پیاز زرد و انگور) را به نسبت وقتی که از کلکتور بدون موانع استفاده می­شود کاهش دهند. این موانع عبارت بودند از طاق معکوس، طاق تا شده، لوله خم شده، و طاق و دلتای خم شده. هاندویو و همکاران (4) شکل دیگری از موانع مثلثی را در کلکتورهای چین‌دار استفاده نموده و انتقال حرارت و افت فشار را برای فواصل مختلف به صورت تجربی سنجیدند. مشخص شد که با کاهش نسبت «فاصله به ارتفاع» موانع تا مقدار 5/0، عدد ناسلت در مقایسه با حالتی که از موانع درون کلکتور استفاده نمی­شود، حدود 5/3 برابر و ضریب اصطکاک حدود 20 برابر افزایش می­یابد. آنها از دینامیک سیالات محاسباتی نیز کمک گرفتند تا فاصله بهینه‌ای را بیابند که در آن بیشترین مقدار عدد ناسلت با کمترین میزان ضریب اصطکاک حاصل می­شود. کولکارنی و همکاران (5) یک کلکتور به همراه موانع را با هدف رسیدن به حداکثر انتقال گرما و حداقل افت فشار به صورت چندمنظوره بهینه­سازی نمودند. این بهینه­سازی متوجه پارامترهای هندسی نظیر نسبت ارتفاع موانع به ارتفاع کانال عبور هوا بود. عالم و کیم (6) عملکرد گرمایی و هیدرولیکی کلکتور خورشیدی را با موانع نیمه بیضوی در زوایای حمله و رینولدزهای مختلف یه صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. روابط عددی مربوط به عدد ناسلت و ضریب اصطکاک برای موانع کمانی و V شکل درون کلکتورهای خورشیدی از روی داده­های تجربی در کار دیگری ارائه شده است (7-8). بن ساچی و همکاران (9) با هدف بهبود عملکرد حرارتی و هیدرولیکی هواگرم­کن­های خورشیدی مطالعه­ای بر روی موقعیت­های مختلف بافل­ها درون کلکتور انجام دادند. موقعیت بافل­های جدید نشان می‌دهد که عملکرد هیدرولیکی موثر فقط تابعی از شکل و یا تغییرات هندسی بافل­ها نیست. جانمایی صحیح بافل­ها عملکرد ترموهیدرولیکی هوا گرم­کن خورشیدی را به طرز چشمگیری بهبود می­بخشد. لوان و فو (10) بر اساس داده­های تجربی روابطی را برای عدد ناسلت و ضریب اصطکاک درون یک کلکتور خورشیدی با بافل­های شیب­دار ارائه نمودند. زاویه شیب بافل از 0 تا 180 درجه متغیر بود. تجزیه و تحلیل راندمان اگزرژی نشان داد که بیشترین بازده کلکتور برابر 7/0 درصد در زاویه بافل 60 و عدد رینولدز 1500 به­دست می­آید. شارما و همکاران (11) موانع جریان با شکل­های مختلف مطابق با هندسه­های مختلف و تحت ملاحظات مختلف دبی جرمی جریان را مورد بررسی قرار دادند تا یک طراحی بهتر برای کلکتور خورشیدی پیشنهاد دهند. سراواناکوما و همکاران (12) تأثیر اضافه کردن فین و بافل را به یک کلکتور زبر با دنده­های قوسی بررسی نمودند. تغییرات پارامترهای جریان مانند عدد رینولدز و افزایش دما با توجه به پارامترهای طراحی بافل ارائه شده است. کلکتور پیشنهادی در مقایسه با هواگرمکن خورشیدی زبر به همراه دنده­های قوسی، بازده انرژی و موثر را به ترتیب 3/28 و 1/27 درصد بهبود می­بخشد. آنها عملکرد اگزرژی این کلکتور را نیز بررسی نمودند (13). همچنین بهینه­سازی پارامترهای این کلکتور به همراه الگوریتم ژنتیک صورت گرفت. مشخص شد که حداکثر راندمان اگزرژی هواگرمکن پیشنهادی 2/5٪ در شرایط بهینه شده است.

کومار­ و لایک بررسی­های تجربی بر روی عملکرد یک هواگرمکن خورشیدی انجام دادند که از بالچه­هایی به عنوان المان­های زبری بر روی صفحه جاذب کار گذاشته شده بود. عملکرد کلکتور در قالب راندمان­های انرژی، مؤثر و اگزرژی مقایسه شد. همچنین با انجام بهینه­سازی عددی مقادیر بهینه راندمان­ها به دست آمد که راندمان گرمایی 12/2 برابر، مؤثر 99/1 برابر و اگزرژی 03/2 برابر راندمان کلکتور به همراه صفحه جاذب ساده حاصل شد. ساراوان و همکاران فین­های C شکل را در دو حالت متخلخل و غیرمتخلخل درون یک کلکتور به کار بردند و عملکرد ترموهیدرولیکی سیستم را با آنها بررسی نمودند. آزمایش­ها در محدوده رینولدز 3000 تا 27000 انجام شد و تأثیر پارامترهایی نظیر گام نسبی، ارتفاع نسبی و نسبت تخلخل نسبی مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین روابطی برای عدد ناسلت و ضریب اصطکاک از روی داده­های تجربی ارائه شد. دنگ و همکاران مطالعه­ای عددی بر روی هواگرمکن­های خورشیدی به همراه صفحات مواج انجام دادند. در این کار تأثیر سه پارامتر دامنه گودی­ها، زاویه حمله و تعداد آرایه­ها مورد بررسی قرار گرفت. محدود عدد رینولدز در این کار بین 12000 تا 24000 بود. مشخص شد که شیب گودی­ها تأثیر قابل ملاحظه­ای بر روی سیال عامل برای تولید جریان چرخشی طولی درون کانال کلکتور دارند. سورندهار و همکاران یک مدل گرمایی برای تحلیل تأثیر ترتیب فین­های دنده­ای قوس­دار و طول صفحه جاذب بر روی خصوصیات انتفال حرارت یک هواگرمکن خورشیدی توسعه دادند. دو نسبت ارتفاع زبری و دو طول کلکتور مختلف مورد بررسی قرار گرفت. مشخص شد ترتیبی که در آن فین­های دنده­ای قوسی متغیر است، منجر به بهره برداری حداکثری از انرژی خورشیدی موجود و بالاترین دمای خروجی نسبت به حالت بدوت تغییر و کلکتور ساده می­شود.

با بررسی مقالاتی که در آنها با استفاده از موانعی درون کانال عبور هوا، عملکرد کلکتورهای هواگرم را مورد بررسی قرار دادند مشخص شد که کمتر به حالتی پرداخته شده است که موانع استفاده شده متخلخل شده باشند. به­ عبارت دیگر با وجود سوراخ­ها و حفره­هایی درون مانع، هوا از درون موانع نیز عبور کند. این امر موجب افزایش اغتشاش جریان بر روی موانع و همینطور مناطق نزدیک به حفره­های درون موانع می­گردد. همچین سطح تبادل حرات نیز به صورت قابل توجهی افزایش می­یابد. در کار حاضر به صورت تجربی به استفاده از موانع متخلخل در مسیر هوا پرداخته می­شود و برای دبی‌های مختلف تأثیر ابعاد سوراخ­ها بر روی انتقال حرارت و افت فشار درون این کلکتور بررسی می­شود و عملکرد آن در مقایسه با یک کلکتور ساده مورد ارزیابی قرار می­گیرد.

روش بررسی

یک دستگاه کلکتور هواگرم خورشیدی در شهرستان آبادان طراحی و ساخته شد (شکل 1). شهرستان آبادان واقع در استان خورستان که مرکز آن در طول جغرافیایی ‘17  ^o48 و عرض جغرافیایی ‘20  ^o30 قرار دارد، با مجموعه سالانه 3275 ساعت (18) از پتانسیل بسیار خوبی برای بهره­برداری از انرژی خورشیدی برخوردار است. به همین دلیل، استفاده از سیستم­های خورشیدی در این شهر، از لحاظ محاسبات برگشت سرمایه مقرون به­صرفه و در حال توسعه است.

مهمترین جزء کلکتور صفحه جاذب می­باشد که وظیفه جذب تشعشعات خورشیدی را بر عهده دارد. از یک ورق آهنی به رنگ مشکی به ضخامت 5/1 میلی­متر، به عنوان جاذب استفاده شد. ابعاد صفحه جاذب عبارت است از 120 سانتی­متر طول و 53 سانتی­متر عرض. ارتفاع کانالی که هوا از آن عبور می­کند نیز برابر با cm 6 است (قطر هیدرولیک معادل cm 78/10). از شیشه معمولی به ضخامت mm 6 به­عنوان تک پوشش شفاف کلکتور استفاده شد. کلکتور ساخته شده یک کلکتور بالاگذر است؛ به این معنا که هوا از بین صفحه جاذب و پوشش شفاف عبور می­کند. جنس بدنه کلکتور از چوب است که نقش عایق را نیز ایفا می­کند. دیواره کلکتور از جنس چوب فشرده به ضخامت 2/3 سانتی­متر است. از طرفی در زیر جاذب نیز یک کانال قرار دارد که هوای ساکن در آن جای گرفته است. این کانال cm 8 ارتفاع دارد که اتلاف حرارت از طریق جابجایی را از پایین جاذب به حداقل می­رساند. در سطح زیرین این کانال نیز مجدداً دو ورق چوب به ضخامت 2/3 سانتی­متر قرار دارد.

در این مطالعه از سه ترکیب مختلف موانع بر روی صفحه جاذب در کلکتور استفاده شد. شش مانع هم ارتفاع با کانال (cm 6) به صورت عرضی و با فاصله 20 سانتی­متر از هم بر روی جاذب چسبانده شدند. درون هر مانع شش سوراخ جهت عبور هوا و اغتشاش جریان تعبیه شده است. در نوع اول موانع (Type I)، قطر سوراخ­ها برابر 5 سانتی­متر، در نوع دوم (Type II) برابر 4 سانتی­متر و در نوع سوم (Type III) برابر 3 سانتی­متر است. سطح مقطع عبور هوا با وجود این موانع به ترتیب 13، 24 و 37 درصد کاهش می­یابد. عملکرد کلکتور به همراه این سه نوع مانع با عملکرد کلکتور معمولی (صفحه جاذب ساده) مقایسه می­شود تا مشخص شود استفاده از این موانع تا چه میزان بر عملکرد کلکتور تأثیرگذار است. موانع استفاده شده از جنس آهن گالوانیزه و ضخامت آنها برابر با 6/0 میلی­متر است. در شکل 2 نوع دوم (موانع سوراخ­دار به قطر 4 سانتی­متر) برای نمونه نمایش داده شده است. این موانع همانند صفحه جاذب به رنگ مشکی درآمده­اند.

بعد از نصب و راه­اندازی دستگاه­، در آذرماه عملکرد کلکتورها تحت شرایط آب و هوایی معمول مورد ارزیابی قرار گرفت. دستگاه دمنده­ هر روز از ساعت 8:30 روشن شده و بعد از پایدار شدن شرایط کلکتور، از ساعت 9 تا 16 هر 5 دقیقه تمامی داده­های دمایی توسط یک دستگاه دیتالاگر ثبت می­گشت. مقادیر تابش نیز هر سی دقیقه­ یادداشت­برداری ­شد.

پارامترهای اندازه­گیری شده در دوران داده­برداری عبارتند از:

میزان کل تابش خورشیدی رسیده به سطح کلکتور با استفاده از دستگاه تابش­سنج TES-1333R اندازه­گیری شد. سرعت جریان هوا نیز به کمک باد­سنج دیجیتال Mic-98652 در خروجی کلکتور اندازه­گیری شد. هوا توسط یک دمنده گریز از مرکز با حداکثر قدرت 550 وات (فشار 2400 پاسکال) تأمین می­گشت. برای اندازه­گیری دمای ورودی (دمای محیط) و دمای خروجی از کلکتور نیز سنسورهای DS18B20 به­کار گرفته شد. افت فشارهای حالات مختلف با استفاده از فشارسنج دیجیتال Testo 510 بین ابتدا و انتهای کانال کلکتور اندازه­گیری شد. در جدول 1 مشخصات مربوط به وسایل اندازه­گیری آورده شده است.

جدول 1- دستگاه­های اندازه گیری و مشخصات آنها

Table 1. Measurment instrument and their specification

تحلیل ریاضی عملکرد کلکتور

برای ارزیابی عملکرد یک کلکتور دو پارامتر اساسی نقش آفرینی می­کند: راندمان گرمایی و راندمان مؤثر. برای به­دست آوردن مقادیر این پارامترها باید از موارد اندازه­گیری شده که در بخش قبل به آنها اشاره شد و همچنین روابط ریاضی ارائه شده بهره برد.

با دانستن دمای ورودی و خروجی هوا از کلکتور، و همچنین نرخ دبی جرمی، گرمای مفید (گرمای منتقل شده به هوا) را می­توان از رابطه 1 به­دست آورد.

که در آن C_p ظرفیت گرمای ویژه هوا، T_o دمای خروجی از کلکتور و T_i دمای ورودی به کلکتور است. مقدار دبی جرمی هوا درون کانال از رابطه 2 محاسبه می­شود:

سرعت در نازل خروجی توسط بادسنج اندازه­گیری می­شود. سطح مقطع مورد استفاده برای اندازه­گیری دبی (A) نیز سطح مقطع نازل در خروجی است که یک دایره به قطر 6 سانتی­متر می­باشد.

راندمان لحظه­ای گرمایی (_thη) طبق تعریف عبارت است از نسبت گرمای مفید به تابش ورودی به سطح کلکتور:

حضور موانع هم باعث اغتشاش جریان می­شود، و هم سطح تبادل حرارت با هوا را افزایش می­دهد. درنتیجه انتظار می­رود راندمان گرمایی کلکتور در حضور موانع بیشتر شود. اما اضافه کردن هر نوع مانعی به کانال باعث افزایش افت فشار درون کانال می‌گردد و کار دمنده بیشتری را طلب می‌کند. لذا بررسی عملکرد کلکتور (خصوصاً در مواقعی که تعداد موانع و یا دبی جرمی افزایش می‌یابد)، صرفاً بر مبنای راندمان گرمایی تحلیل درستی ارائه نمی‌دهد. درنتیجه نیاز است تا پارامتر قابل اعتمادتری معرفی گردد که کار دمنده را نیز در نظر بگیرد. از این رو راندمان مؤثر تعریف می‌شود تا نقش کار پمپ نیز در تعریف راندمان لحاظ شود (19).

که در آن W_p بیانگر کار پمپ و C_f بیانگر ضریب تبدیل است. مقدار ضریب تبدیل را 2/0 در نظر می­گیرند (16). کار پمپ نیز از رابطه 5 قابل محاسبه است:

در این رابطه ΔP افت فشار درون کانال را نشان می­دهد و _pmη بیانگر راندمان موتور پمپ است که برابر 85/0 می­باشد (19-20).

دمنده برای به چرخش درآوردن هوا درون کلکتور انرژی الکتریکی مصرف می­کند. قیمت انرژی الکتریکی و گرمایی معمولاً یکسان نیست. در رابطه 4 نیز تفاوتی میان انرژی الکتریکی و گرمایی قائل نشده است. درنتیجه نیاز است تا تأثیر هزینه انرژی لحاظ شود. قیمت واقعی انواع انرژی از قیمت بازار تخمین زده شد و نسبت انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی 35/2 در نظر گرفته شد (21).

یافته‌ها

عملکرد کلکتورها در شرایط آب و هوایی آفتابی در آذرماه از ساعت 9 تا 16 مورد بررسی قرار گرفت. افزایش راندمان کلکتورها توسط رابطه 3 محاسبه می­شود. همچنین کلکتورها برای دو دبی kg/s 0218/0 و kg/s 0364/0 (سرعت خروجی از نازل به ترتیب معادل 6/6 و 11 متر بر ثانیه) آزمایش شدند. هر ترکیب دو روز مورد آزمایش قرار گرفت؛ روز اول دبی کمتر (kg/s 0218/) و روز دوم دبی بیشتر (kg/s 0364/0).

گرمای مفید منتقل شده به هوا و راندمان گرمایی مستقیماً از داده­های ثبت شده برای هر کلکتور مورد محاسبه قرار گرفتند. نتایج آزمایشگاهی در قالب نمودارها و جداولی که توصیف­گر افزایش دما درون کلکتورها، راندمان گرمایی، راندمان مؤثر بودند، بر حسب زمان نمایش داده شده­اند.

در شکل 3 تغییرات ساعتی تشعشع برای روزهای آزمایش نشان داده شده است. برای وضوح بیشتر مقادیر تابش در دو نمودار نمایش داده شده است. تابش در روزهایی که کلکتور با دبی کمتر در حال داده­برداری بود در شکل 3-الف و برای روزهایی که با دبی بیشتر در حال داده­برداری بود در شکل 3-ب  نشان داده شده است. همان­گونه که مشخص است بیشینه مقدار تابش بین ساعات 12:30 تا 13:30 (مقارن با ظهر خورشیدی) رخ داده است.

در شکل 4 نمودار اختلاف دما برای روزهای آزمایش از ساعت 9 تا 16 برای دو مقدار دبی جرمی جریان به نمایش گذاشته شده است. از این شکل­ها بر می­آید که بیشینه اختلاف دما نیز در ساعات ظهر، از ساعت دوازده تا سیزده رخ می­دهد. این اختلاف دما نه تنها متأثر از تابش بیشینه است، بلکه به دمای محیط در آن ساعت نیز بستگی دارد. بیشترین اختلاف دما مربوط می­شود به حالتی که موانع نوع سوم (موانع با سوراخ­های به قطر cm 3) درون کانال قرار گرفته است. در این حالت اختلاف دما بین هوای ورودی به کلکتور و هوای خروجی از آن برای دبی 0218/0کیلوگرم بر ثانیه در حدود ^oC 17 درجه سانتی­گراد و برای دبی 0364/0 کیلوگرم بر ثانیه در حدود ^oC 12 است. به­طور کلی اختلاف دما در دبی کمتر بیشتر از حالت مربوط به دبی بالاتر است. هر چه دبی کم­تر باشد هوا ظرفیت بیشتری برای جذب گرما و افزایش دما پیدا می­کند. بعد از موانع نوع سوم، موانع سوراخ­دار به قطر cm 4 (نوع 2)، شش مانع سوراخ­دار به قطر cm 5 ( (نوع 1) و در انتها کلکتور ساده قرار دارد. بیشینه اختلاف دما در کلکتور ساده در حوالی ظهر در روز اول (دبی کمتر) در حدود ^oC 8 و در روز دوم (دبی بیشتر) در حدود ^oC 6 است. این به آن معناست که با استفاده از  موانع سوراخ­دار در بیشترین حالت اختلاف دما در حوالی ظهر در هر دو روز تا 2 برابر نسبت به حالت کلکتور ساده افزایش می­یابد. با توجه به هم­ارتفاع بودن موانع و کانال، هوا مجبور به عبور از درون سوراخ­هاست که این امر منجر به اغتشاش بالای جریان می­شود. هرچه ابعاد سوراخ­ها کمتر باشد، اغتشاش افزایش می­یابد. از طرفی خود موانع نیز به نسبت صفحه جاذب از مساحت قابل توجهی برخوردارند و به عنوان یک سطح گسترش­یافته (فین) عمل می­کنند. بدین ترتیب سطح تبادل حرارت با هوا افزایش می­یابد و بخشی از گرما به این صورت به جریان منتقل می­شود.

در شکل 5 تغییرات ساعتی راندمان گرمایی کلکتور برای 4 وضعیت مختلف نمایش داده شده است. مقادیر راندمان در روزهای دوم داده­برداری بیشتر است. علت آن هم رابطه­ مستقیمی است که بین ضریب انتقال حرارت و سرعت وجود دارد. با افزایش سرعت، عدد رینولدز جریان و متعاقب آن ضریب انتقال حرارت افزایش پیدا می­کند. در نتیجه میزان گرمای انتقالی از صفحه جاذب به سیال بیشتر می­شود و همین امر باعث افزایش راندمان سیستم می­شود. بالاترین راندمان گرمایی کلکتور مربوط نوع سوم می­شود که در دبی kg/s 0364/0 مقدار میانگین آن 83% است. راندمان کلکتور در این حالت با دبی kg/s 0218/0 در حدود 68% است که نشان از افزایش 22/1 برابری مقدار راندمان گرمایی با افزایش دبی است. همچنین راندمان گرمایی متوسط کلکتور ساده در دو دبی به ترتیب برابر 35 و 47 درصد است. مشخص می­شود با استفاده از موانع متخلخل راندمان کلکتور به نسبت حالت ساده برای دو دبی به ترتیب 35 و 32 درصد افزایش داشته است. راندمان کلکتور نوع اول و دوم در دبی kg/s 0218/0 تقریباً در یک محدوده قرار دارند و با افزایش دبی است که اختلاف میان این دو حالت مطابق انتظار افزایش می­یابد. گرچه راندمان نسبت معکوسی با تابش دارد، همچنان مشاهده می­شود که بیشینه مقدار راندمان در ساعاتی رخ می­دهد که بیشینه تابش رخ داده است. دلیل این امر احتمالاً به خاطر بیشینه اختلاف دمایی است که بین هوای خروجی و ورودی در این ساعات وجود دارد.

در جدول 2 مقادیر افت فشار برای حالات مختلف نمایش داده شده است. با کمک این مقادیر و جاگذاری در رابطه 6 می­توان راندمان مؤثر را به­دست آورد. باید توجه داشت که با توجه به طول نسبتاً کم کانال و سرعت پایین جریان هوا، مقادیر افت فشار چندان قابل توجه نیست، خصوصاً در نوع اول. در مورد کلکتور ساده نیز می­توان مقدار افت فشار را با کمک روابط تجربی نظیر رابطه دارسی-ویسباخ به­دست آورد که عدد به دست آمده برای هر دو دبی کمتر از 1 پاسکال خواهد بود و با توجه به اینکه دستگاه فشارسنج قادر به اندازه­گیری مقادیر کمتر از یک پاسکال نیست، عدد صفر را نمایش می­داد.

جدول 2- مقادیر افت فشار برای حالات مختلف بر حسب پاسکال

Table 2. Pressure dop values for different situations in pascal

در شکل 6 راندمان موثر کلکتور برای زمان­های مختلف نمایش داده شده است. راندمان مؤثر با در نظر گرفتن افت فشار درون کانال و کار مورد نیاز پمپ، تصویر واقعی­تری نسبت به عملکرد کلکتور به دست می­دهد.

با مقایسه راندمان گرمایی با راندمان مؤثر مشخص می­شود روند یکسانی در نمودارها وجود دارد. گرچه طبق جدول 2 مطابق انتظار افت فشار با کاهش سطح مقطع افزایش قابل توجهی پیدا می­کند، اما تأثیر گرمای دریافتی بر روی راندمان غالب است. به همین علت همچنان بهترین عملکرد در هر دو دبی متعلق به کلکتور با موانع نوع سوم است و پس از آن موانع نوع دوم و نوع اول و در انتها کلکتور ساده قرار دارد. این نکته را نیز باید در نظر داشت که با توجه به طول نسبتاً کم کلکتور، مقادیر افت فشار خصوصاً در نوع اول و دوم چندان قابل ملاحظه نیست و مقدار کار ناشی از افت فشار در مقایسه با گرمای جذب شده ناچیز است و اگر ضریب برابری کار و گرما در رابطه 6 اعمال نمی­شد و از رابطه 3 برای محاسبه راندمان مؤثر استفاده می­شد، عملاً تغییر محسوسی در نمودارهای راندمان گرمایی و مؤثر ایجاد  نمی­گشت. اعمال ضریب تصحیح روی مقدار گرما باعث شده است راندمان کلکتور اصلاح شود و مقادیر آن به کمتر از نصف برای حالات مختلف برسد. متوسط راندمان مؤثر در دبی 0364/0 کیلوگرم بر ثانیه برای نوع سوم 1/34%، نوع دوم 5/31%، نوع اول 7/28% و کلکتور ساده 2/14% است. همچنین مقادیر متوسط راندمان برای دبی 0218/0 کیلوگرم بر ثانیه با حفظ همان ترتیب 4/28%، 6/23%، 9/21% و 6/10% است.

 بحث و نتیجه گیری

عملکرد یک هواگرم­کن خورشیدی با موانع متخلخل در مسیر عبور هوا برای دو دبی مورد بررسی قرار گرفت و با عملکرد یک کلکتور ساده مقایسه شد. در تمامی حالات با افزایش دبی، راندمان افزایش پیدا کرد.

مشخص شد با وجود موانع هم سطح تبادل حرارت و هم ضریب انتقال حرارت افزایش می­یابد. درنتیجه اختلاف دما در تمامی حالات نسبت به حالت ساده افزایش پیدا می­کند. بیشترین اختلاف دما به ترتیب متعلق است به: کلکتور با موانع نوع سوم، کلکتور با موانع نوع دوم، کلکتور با موانع نوع اول و در انتها کلکتور ساده.

اختلاف دما با وجود موانع نوع سوم بیش از 2 برابر نسبت به اختلاف دمای کلکتور ساده در دبی kg/s 0218/0 افزایش یافت.

مشخص شد متخلخل کردن موانع باعث بهبود راندمان گرمایی کلکتور نیز می­شود. افزایش راندمان برای بهترین حالت موانع (نوع سوم) به نسبت حالت ساده برای دو دبی به ترتیب 35 و 32 درصد افزایش داشته است.

در ارتباط با راندمان مؤثر که عملکرد پمپ را نیز در راندمان کلکتور لحاظ می­کند، مشخص شد که با توجه به ناچیز بودن کار مربوط به افت فشار نسبت به گرمای مفید انتقالی، در تمامی حالات تفاوت قابل توجهی بین راندمان گرمایی و راندمان مؤثر وجود تدارد. اما با تغییر تعریف راندمان مؤثر و لحاظ کردن ضریب تبدیل گرما به کار درون رابطه راندمان مؤثر، تأثیر افت فشار بر روی راندمان سیستم را بهتر می­توان تحلیل نمود. در هر صورت همانند راندمان گرمایی، بهترین عملکرد مربوط می­شود با کلکتور به همراه موانع نوع سوم، کلکتور به همراه موانع نوع دوم، کلکتور به همراه نوع اول و در انتها کلکتور ساده قرار دارد.

فهرست علائم

References

1. http://www.mimt.gov.ir/
2. Ahmed-Zaid, A., Messaoudi, H., Abenne, A., Le Ray, M., Desmons, J. Y., Abed, B., 1999. Experimental study of thermal performance improvement of a solar air flat plate collector through the use of obstacles: application for the drying of yellow onion. Int. J. Energy Res., Vol. 23, pp. 1083-199.
3. Abene, A., Dubois, V., Le Ray, M., Ouagued, A., 2004. Study of a solar air flat plate collector: use of obstacles and application for the drying of grape. Journal of Food Engineering, Vol. 65, pp. 15–22.
4. Handoyo, E. A., Ichsani, D., Prabowo, Sutardi, 2016. Numerical studies on the effect of delta-shaped obstacles’ spacing on the heat transfer and pressure drop in v-corrugated channel of solar air heater, Solar Energy, Vol. 131, pp. 47-60.
5. Kulkarni, K., Afzal, A., Kim, K.Y., 2015. Multi-objective optimization of solar air heater with obstacles on absorber plate. Solar Energy, Vol. 114, pp. 364–377.
6. Alam, T., Kim, M.H., 2016. Numerical study on thermal hydraulic performance improvement in solar air heater duct with semi ellipse shaped obstacles. Energy, Vol. 112, pp. 588-598.
7. Kumar, A., Kumar, R., Maithani, R., Chauhan, R., Sethi, M., Kumari, A., Kumar, S., Kumar, S., 2017. Correlation development for Nusselt number and friction factor of a multiple type V-pattern dimpled obstacles solar air passage. Renewable Energy, Vol. 109, pp.  461-479.
8. Nadda, R., Kumar, A., Maithani, R., 2017. Developing heat transfer and friction loss in an impingement jets solar air heater with multiple arc protrusion obstacles. Solar Energy, Vol. 158, pp. 117–131.
9. Bensaci, C., Moummi, A., Flor, F., Jara, E., Rincon-Casado, A.,  Ruiz-Pardo, A., 2020. Numerical and experimental study of the heat transfer and hydraulic performance of solar air heaters with different baffle positions. Renewable Energy, Vol. 155, pp. 1231-1244.
10. Luan, N.T., Phu, N.M., 2020. Thermohydraulic correlations and exergy analysis of a solar air heater duct with inclined baffles. Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 21, 100672.
11. Sharma, N.Y., Madhwesh, N., Karanth, K.V., 2019. The Effect of Flow Obstacles of Different Shapes for Generating Turbulent Flow for Improved Performance of the Solar Air Heater. Procedia Manufacturing Vol. 35, pp. 1096-1101.
12. Saravanakumar, P.T., Somasundaram, D., Matheswaran, M.M., 2019. Thermal and thermo-hydraulic analysis of arc shaped rib roughened solar air heater integrated with fins and baffles. Solar Energy, Vol. 180, pp. 360-371.
13. Saravanakumar, P.T., Somasundaram, D., Matheswaran, M.M., 2020. Exergetic investigation and optimization of arc shaped rib roughened solar air heater integrated with fins and baffles. Applied Thermal Engineering, Vol. 175, 115316.
14. Kumar, A. and Layek, A., 2021. Energetic and exergetic based performance evaluation of solar air heater having winglet type roughneѕѕ on absorber surface. Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 230, 11147.
15. Saravanan, A., Murugan, M., Sreenivasa Reddy, M., Ranjit, P.S., Elumalai, P.V., Pramad Kumar, Rama Sree, S., 2021. Thermo-hydraulic performance of a solar air heater with staggered C-shape finned absorber plate. International Journal of Thermal Sciences, Vol. 168, 107068.
16. Dong. Z., Liu. P., Xiao. H., Liu, Z., Liu. W., 2021. A study on hear transfer enhancement for solar air heaters with ripple surface. Renewable Energy, Vol. 172, pp. 477-487.
17. Sureandhar, G., Srinivasan, G., Muthkumar, P., Senthilmurugan, S., 2021. Performance Analysis of arc rib fin embedded in a solar air heater. Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 23, 100891.
18. KhoshAkhlagh, F., Molaei Pardeh, A., Abadijoo, M.M., 2014. Analysis and zoning of climatic potentials of Khuzestan province for the use of solar energy. Nivar, Vol. 92. (In Persian)
19. K. Mohammadi, M. Sabzpooshani, Comprehensive performance evaluation and parametric studies of single pass solar air heater with fins and baffles attached over the absorber plate, Energy, Vol. 57, pp. 741-750, 2013.
20. MK. Gupta, SC. Kaushik. Performance evaluation of solar air heater for various artificial roughness geometries based on energy, effective and exergy efficiencies. Renew Energy, Vol. 34, pp. 465-476, 2009.

21. Ansari, M. and Bazargan, M., 2018. Optimization of Flat Plate Solar Air Heaters with Ribbed Surfaces. Applied Thermal Engineering, Vol. 136: pp. 356-363.

[1]- دانشجوی دکترا، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران.

[2]- دانشیار گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران. ^*(مسوول مکاتبات)

[3]- PhD student, Energy Conversion Department, Mechanical Engineering Faculty, University of Kashan, Kashan, Iran.

2- PhD, Energy Conversion Department, Mechanical Engineering Faculty and Energy Research Institute, University of Kashan, Kashan, Iran. *(Corresponding Author)