Υπολογιστική ανάλυση – βελτιστοποίηση διατάξεων απαγωγής θερμότητας από απορροφητική επιφάνεια συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων

Παπασπύρος, Λάμπρος; Papaspyros, Lampros

dc.contributor.author	Παπασπύρος, Λάμπρος	el
dc.contributor.author	Papaspyros, Lampros	en
dc.date.accessioned	2020-04-01T15:21:59Z
dc.date.available	2020-04-01T15:21:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50011
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17709
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μεταφοράς θερμότητας και μάζας	el
dc.subject	Συζευγμένη μεταφορά θερμότητας	el
dc.subject	Διακλαδούμενα κανάλια	el
dc.subject	Ηλιακά συστήματα/συλλέκτες	el
dc.subject	Heat and mass transfer	en
dc.subject	Conjugate heat transfer	en
dc.subject	Bifurcating channel network	en
dc.subject	Solar collectors	en
dc.title	Υπολογιστική ανάλυση – βελτιστοποίηση διατάξεων απαγωγής θερμότητας από απορροφητική επιφάνεια συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων	el
dc.title	Computational analysis and optimization of installations for heat removal from an absorbing surface of concentrating solar systems	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και μάζας	el
heal.classification	Heat and mass transfer phenomena	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-01
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια, το φαινόμενο της υπερθέρμανσης του πλανήτη και οι κλιματικές αλλαγές που συμβαίνουν, έχουν δώσει μεγάλη βαρύτητα στην ανάγκη για εξέλιξη μεθόδων αξιοποίησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η εκμετάλλευση της φαινομενικά ατελείωτης ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνεια του πλανήτη, ίσως είναι μια υποσχόμενη λύση που θα απαλύνει το πρόβλημα που προκύπτει από τη συνεχή χρήση μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία, σχετίζεται με τα συστήματα εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας και πιο συγκεκριμένα με την υπολογιστική διερεύνηση συγκεκριμένων τριδιάστατων διατάξεων καναλιών, τα οποία είναι ενσωματωμένα σε απορροφητική επιφάνεια συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων, και τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας με σκοπό τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας του συστήματος. Κίνητρο της μελέτης είναι η ανάγκη για την απαγωγή της μέγιστης δυνατής θερμότητας από της απορροφητική επιφάνεια ενός συγκεντρωτικού συλλέκτη με χρήση εργαζόμενων ρευστών. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή στους ηλιακούς συλλέκτες και γίνεται ανάλυση των μη συγκεντρωτικών και συγκεντρωτικών συστημάτων. Παρουσιάζονται κάποιες βασικές περιπτώσεις από το κάθε είδος συλλέκτη και καταγράφεται η αρχή λειτουργίας τους. Ακολούθως, παρουσιάζονται διάφορες τεχνικές, όπως π.χ. κατάλληλα σχεδιασμένες διατάξεις καναλιών που αξιοποιούν την παθητική μέθοδο για απαγωγή θερμότητας από τις απορροφητικές επιφάνειες των ηλιακών συλλεκτών μέσω της κυκλοφορίας ενός ρευστού (νερό, λάδι, κλπ.). Αφού παρουσιαστούν οι γεωμετρίες που έχουν μελετηθεί σε προηγούμενες έρευνες, γίνεται η εισαγωγή στη διάταξη των διακλαδούμενων καναλιών τα οποία είναι και ο πυρήνας αυτής της διπλωματικής εργασίας. Αναφέρεται η προέλευση της συγκεκριμένης γεωμετρίας ως μιας βελτιωμένης διάταξης και το πώς αυτή εμπνεύστηκε από τη φύση, και αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που ορίζουν τη κατασκευή της. Πριν παρουσιαστούν τα αποτελέσματα μιας εκτεταμένης σειράς υπολογιστικών προσομοιώσεων που έγιναν στα πλαίσια της εργασίας, αναφέρονται οι βασικές μαθηματικές σχέσεις που ορίζουν το πρόβλημα της ροής ρευστού και μεταφοράς θερμότητας που επιλύεται καθώς και η αριθμητική μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιεί το λογισμικό COMSOL Multiphysics για την επίλυση του προβλήματος. Ακολουθεί ο έλεγχος της ανεξαρτησίας της λύσης από το πλέγμα για της ροή το ρευστού μέσα από τις βασικές δομές που απαρτίζουν την ολοκληρωμένη γεωμετρία του προβλήματος, και η επαλήθευση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Τα βασικά δομικά στοιχεία, είναι η διακλάδωση τύπου Τ και ο αγωγός γωνίας 90°. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη προσομοίωση της ροής σε αυτές. Συγκεκριμένα, γίνεται παρουσίαση της δευτερογενούς ροής που αναπτύσσεται σε αυτά τα στοιχεία και πώς αυτή εξελίσσεται συναρτήσει του αριθμού Reynolds. Η ένταση και ο όγκος των δινών που αναπτύσσονται, αναλύονται με τη χρήση της ελικότητας, του κριτηρίου Q και των ροϊκών γραμμών της τριδιάστατης γεωμετρίας, με στόχο να μελετηθεί η επίδραση τους στην μεταφορά θερμότητας. Η θερμική συμπεριφορά στις βασικές δομές αναλύεται μέσω της κανονικοποιημένης θερμοκρασίας σε διάφορες διατομές κάθετες στη ροή, και υπολογισμού του μέσου αριθμό Nusselt κατά τη διεύθυνση αυτής. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι τριδιάστατες ολοκληρωμένες γεωμετρίες διακλαδούμενων καναλιών. Κατασκευάζονται διατάξεις με 3 και 4 διαδοχικά επίπεδα, το καθένα αποτελούμενο από συνδυασμό μιας διακλάδωσης Τ και μιας γωνιάς (90-θ)°και γωνίες διακλάδωσης με τιμές μεταξύ 30° και 90°. Οι διατάξεις, όντας συμμετρικές, επιλύονται υπολογιστικά στη μισή γεωμετρία με το κατάλληλο πλέγμα όπως αυτό έχει προσδιοριστεί από τη μελέτη των βασικών δομικών μονάδων. Η θερμική και υδροδυναμική συμπεριφορά τους, παρουσιάζεται καταγράφοντας τον αριθμό Nusselt και την αδιάστατη πτώση πίεσης κατά μήκος της ροής. Γίνεται ακολούθως μια προσπάθεια σύγκρισης της συνολικής απόδοσης κάθε γεωμετρίας με βάση ένα δείκτη απόδοσης που συμπεριλαμβάνει την ομοιομορφία της θερμοκρασίας στην απορροφητική πλάκα, την ισχύ άντλησης του ρευστού και την αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας στην πλάκα και προσδιορίζεται η βέλτιστη γωνία διακλάδωσης ανάλογα με τον αριθμό των επιπέδων διακλάδωσης. Τέλος, η βέλτιστη γεωμετρία που έχει προσδιοριστεί συγκρίνεται με άλλες συνήθεις διατάξεις καναλιών όπως τα ευθεία, παράλληλα κανάλια και ο μαίανδρος. Συγκρίνονται οι δείκτες απόδοσης της κάθε γεωμετρίας με σκοπό να αποδειχθεί κατά πόσο η προς μελέτη γεωμετρία είναι όντως πιο αποδοτική σε σύγκριση με τις διατάξεις που ήδη χρησιμοποιούνται.	el
heal.abstract	During the last few years, the global temperature rise and the ongoing climate change being observed around the world have brought a great need for developing methods to better harness renewable energy sources. The exploitation of the seemingly infinite solar energy which reaches the Earth’s surface, may be a promising solution which will alleviate the problems caused by the constant use of non-renewable sources of energy. This diploma thesis deals with the exploitation of solar collectors and more specifically, with the computational investigation of certain three-dimensional channel geometries which are embedded in the absorbing surfaces of solar collectors and their optimisation so as to achieve a higher overall efficiency. The motive behind this work is the challenge of designing a channel network which removes the maximum amount of heat from the absorbing surface of a solar collector with the use of working fluids. Initially, an introduction to solar collectors is made and the differentiation between non-concentrating and concentrating systems is presented. Some of the basic cases of solar collectors are showcased and their working principles are analyzed. Following this, some basic channel techniques, such as suitably designed geometries used in solar collectors for heat removal by means of the through-flow of a working fluid (water, oil etc.) are also presented. An introduction to the branching tree-like channel network follows, which is the core of this diploma thesis follows. The origins of the idea for this particular channel geometry as a more advanced technique is also discussed, as well as the mathematical formulation of its construction. Before the results of a series of computer simulations, carried out in the course of the work, are presented, the basic mathematical equations which describe the flow and heat problem to be solved, are introduced, as well as the finite element method, which is used by the commercial software COMSOL Multiphysics for the numerical solution of the problem. The next part of this work corresponds to the investigation of the independence of the solution of the present flow problem as a function of the density of the mesh which is constructed by the commercial software used and the validation of the obtained results. This examination is performed on the T-Junction and L-Bend separately, which are the elementary units which comprise the complete tree-like geometry. The results of these fundamental units are subsequently illustrated. Specifically, the behavior of the secondary flow which is developed within the volume of the T-Junction and L-Bend and is expected to significantly affect the heat transfer, is analyzed as a function of the Reynolds number of the flow. Its intensity and size are defined using the helicity and the Q-criterion, as well as the streamlines of the fluid. The thermal behavior within the elementary units is analyzed using normalized temperature on planes perpendicular to the main direction of the flow and by calculating the Nusselt number following the motion of the fluid. Then, the complete three-dimensional channel geometries, for 3 and 4 branching levels (each comprising a single T-Junction and L-Bend) and branching angles in the range of 30° to 90°, are presented. These geometries are constructed and solved using the software mentioned above. Being symmetrical, the model is used to solve only over half of its total volume, with the appropriate mesh, as it has been found in the analysis of the elementary units. The thermal and hydrodynamic behavior of these geometries are determined by calculating the Nusselt number and the dimensionless pressure drop along the main path of the flow. Afterwards, an attempt is made to compare the overall efficiency of each model using a performance factor which takes into consideration both the thermal and hydrodynamic behavior as well as the temperature uniformity of the absorbing surface. This performance factor is used in order to determine which branching angle yields the optimal overall system efficiency. Finally, the optimal geometry determined above, is compared with other channel geometries which are more commonly used in concentrating solar collectors for heat removal. Examples of such channels are the straight parallel channels and the serpentine channels. The performance factor of each model is compared in an attempt to prove whether the investigated channel geometry is indeed more efficient when compared to the ones in use in similar devices.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Γ. Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Γ. Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Επαμεινώνδας, Βουτσάς	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	176 σ.
heal.fullTextAvailability	true