شبیه‌سازی عددی جوشش در سیستم تولید مستقیم بخار در یک کلکتور خورشیدی سهموی با بهره‌گیری از مدل دوفازی همگن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تفرش، تفرش

2 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تفرش، تفرش

3 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه یاسوج، یاسوج

چکیده

نقطه عطف در نیروگاه‌های خورشیدی از نوع سهموی خطی، استفاده از سیستم‌های تولید مستقیم بخار می‌باشد. در این نوع سیستم‌ها به علت وجود سیال آب بعنوان سیال انتقال حرارت، شاهد افزایش دمای کاری می‌باشیم. در نیروگاه‌ با تکنولوژی تولید مستقیم بخار (DSG)، انرژی خورشید مستقیما به لوله که سیال آب در آن جریان دارد، برخورد می‌کند. عدم کنترل جریان سیال در بخش جوشش منجر به رسیدن شار حرارتی سیال به شار حرارتی بحرانی می‌شود. نکته مهم طراحی در این نوع نیروگاه‌ها، نقطه بحرانی (با شار حرارتی بحرانی) می‌باشد که موجب وقوع مشکلات عدیده‌ای از جمله تنش‌‌های حرارتی در جاذب‌های خورشیدی می‌شود. بنابراین بررسی فرآیند جوشش در جاذب این نیروگاه‌ها دارای اهمیت فراوان می‌باشد. در این تحقیق برای شبیه‌سازی عددی جوشش مدل دوفازی همگن معرفی شده است. در مرحله اول یک مدل اپتیکی برای بازتابنده مدل‌سازی شده است. در مرحله بعد معادلات انتقال حرارت برای جذب‌کننده تابش و انتقال حرارت داخل لوله شبیه‌سازی شده است و در نهایت تغییرات دمای دیواره وآب در امتداد لوله مورد بررسی قرار گرفته است. برای تعیین مکان و مقدار شار بحرانی از روش LUT کمک گرفته شده است. در مدل‌سازی انجام‌شده کیفیت بخار، دمای دیواره و سیال و نقطه شار حرارتی بحرانی برای مقادیر مختلف فشار و دبی جرمی به‌دست آمده است و راندمان سیستم تعیین شده است. در ادامه عملکرد سیستم برای تابش‌های مختلف (که معادل شرایط اقلیمی متفاوت می‌باشد) مورد بررسی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]      Eck, Markus, and W. D. Steinmann, Dynamic behavior of the direct solar steam generation in parabolic trough collectors: A simulation study, In Proc, of 10th Solar PACES Int. Symp. On Solar Thermal Concentrating Technologies, pp. 101-106, 2000.

[2]      Cohen, G., D. Kearney, Improved parabolic trough solar electric systems based on the SEGS experience, In Proceedings of the American Solar Energy Society Conference, pp. 147-150, 1994.

[3]      M. Müller, Test loop for research on direct steam generation in parabolic trough power plants, Sol Energy Mater, Vol. 24, pp. 222–230, 1991.

[4]      Zarza, E., J. I. Ajona, K. Hennecke, Project DISS, development of a new generation of solar thermal power stations, In Proceedings of the Eighth International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, pp. 397-415, 1996.

[5]      Eck, M., W-D. Steinmann, Direct steam generation in parabolic troughs: first results of the DISS project, Journal of solar energy engineering, Vol. 124, No. 2, pp. 134-139, 2002.

[6]      Aurousseau, Antoine, Valéry Vuillerme, Jean-Jacques Bezian, Control systems for direct steam generation in linear concentrating solar power plants–A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol, 56, pp. 611-630, 2016.

[7]      Arasu, A. Valan, T. Sornakumar, Design, manufacture and testing of fiberglass reinforced parabola trough for parabolic trough solar collectors, Solar Energy, Vol. 81, No. 10, pp. 1273-1279, 2007.

[8]      Feldhoff, Jan Fabian, Kai Schmitz, Markus Eck, Lars Schnatbaum-Laumann, Doerte Laing, Francisco Ortiz-Vives, Jan Schulte-Fischedick, Comparative system analysis of direct steam generation and synthetic oil parabolic trough power plants with integrated thermal storage, In ASME 2011 5th International Conference on Energy Sustainability,  American Society of Mechanical Engineers, pp. 631-640, 2011.

[9]      Murphy LM May EK, Steam generation in line-focus solar collectors: a comparative assessment of thermal performance, operating stability, and cost issues, Golden (CO, USA): Solar Energy Research Institute; 1982.

[10]   Stephan K, Green CV. Heat transfer in condensation and boiling, Springer; 1992.

[11]   Elsafi AM, On thermo-hydraulic modeling of direct steam generation, Sol Energy, Vol. 120, pp. 636–50, 2015.

[12]   Wojtan L, Ursenbacher T, Thome JR, Investigation of flow boiling in horizontal tubes: part I—a new diabatic two-phase flow pattern map, Int J Heat Mass Transf, Vol. 48, pp. 2955–69, 2005.

[13]   Sun J, Liu Q, Hong H, Numerical study of parabolic-through direct steam generation loop in recirculation mode: characteristics, performance and general operation strategy, Energy Convers Manage, Vol. 96, pp. 287–302, 2015.

[14]   Ajona J, Herrmann U, Sperduto F, Farinha-Mendes J, Main achievements within ARDISS (advanced receiver for direct solar steam production in parabolic trough solar power plants) project; 1996.

[15]   Heidemann W, Spindler K, Hahne E, Steady-state and transient temperature field in the absorber tube of a direct steam generating solar collector, Int J Heat Mass Transf, Vol. 35, pp. 649–57, 1992.

[16]      Odeh S, Morrison G, Behnia M, Modelling of parabolic through direct steam generation solar collectors, Sol Energy, Vol. 62, pp. 395–406, 1998.

17)      Zaversky F, Bergmann S, Sanz W, Detailed modeling of parabolic trough collectors for the part load simulation of solar thermal power plants, In: ASME Turbo Expo 2012: turbine technical conference and exposition, ASME; p. 235–47, 2012.

[18]      Nolte HC, Bello-Ochende T, Meyer JP, Second law analysis and optimization of a parabolic trough receiver tube for direct steam generation, Heat Mass Transf, Vol. 51, pp. 875–87, 2015.

[19]      Hachicha AA, Rodríguez I, Ghenai C, Thermo-hydraulic analysis and numerical simulation of a parabolic trough solar collector for direct steam generation, Appl Energy, Vol. 214, pp. 152–65, 2018

[20]      Fuqiang, Wang, Lai Qingzhi, Han Huaizhi, Tan Jianyu, Parabolic trough receiver with corrugated tube for improving heat transfer and thermal deformation characteristics, Applied energy, Vol. 164, pp. 411-424, 2016.

21]      Li, Lu, Jie Sun, Yinshi Li, Ya-Ling He, Haojie Xu, Transient characteristics of a parabolic through direct-steam-generation process, Renewable Energy, Vol. 135, pp. 800-810, 2019.

[22      Feng, Lei, HaiYan Liao, Peng Wang, Jun Huang, Karn L. Schumacher, A technique to avoid two-phase flow in solar collector tubes of the direct steam generation system for a solar aided power generation plant, Applied Thermal Engineering, Vol. 148, pp. 568-577, 2019.

[23]      Iodice, Paolo, Giuseppe Langella, Amedeo Amoresano, Raffaella Di Dona, Optimization of medium temperature direct steam generation solar plant, Energy Procedia, Vol. 148, pp. 122-129, 2018.

[24]      Ahn, Ho Seon, Hyungdae Kim, HangJin Jo, SoonHo Kang, WonPyo Chang, Moo Hwan Kim, Experimental study of critical heat flux enhancement during forced convective flow boiling of nanofluid on a short heated surface, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 36, No. 5, pp. 375-384, 2010.

[25]   Das, Sarit K., Nandy Putra, Wilfried Roetzel, Pool boiling characteristics of nano-fluids, International journal of heat and mass transfer, Vol.46, No. 5, pp. 851-862, 2003.

[26]   Hachicha, A. A., I. Rodríguez, R. Capdevila, A. Oliva, Heat transfer analysis and numerical simulation of a parabolic trough solar collector, Applied energy, Vol. 111, pp. 581-592, 2013.

[27]   Raithby, G. D., and K. G. T. Hollands, A general method of obtaining approximate solutions to laminar and turbulent free convection problems, Advances in heat transfer, Vol. 11, pp. 265-315, 1975.

[28]   Churchill, Stuart W., and Humbert HS Chu, Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a horizontal cylinder, International journal of heat and mass transfer, Vol. 18, No. 9, pp. 1049-1053, 1975.

[29]   Pye, John D, "System modelling of the compact linear Fresnel reflector," PhD, University of New South Wales, Sydney, Australia, 2008.

[30]   Groeneveld, D. C., J. Q. Shan, A. Z. Vasić, L. K. H. Leung, A. Durmayaz, J. Yang, S. C. Cheng, A. Tanase, The 2006 CHF look-up table, Nuclear Engineering and Design, Vol. 237, No. 15-17, pp. 1909-1922, 2007