تحسين الأداء الحراري للمجمع الشمسي ذي القطع المكافئ باستخدام معرقلات اسطوانية لتحلية المياه

اطروحة دكتوراه

اسم الباحث : ياسر عبد نور جبار

اسم المشرف : أ.د فاضل خدام فليفل أ.م.د وسام جليل خضير

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية العلوم

الاختصاص : علوم الفيزياء

سنة نشر البحث : 2025

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الماء ضروري لبقاء الإنسان؛ إذ يستهلك الأفراد (10-30 لتراً) من الماء النظيف يوميًا للشرب والطهي والأنشطة المنزلية الأخرى. فالمياه الملوثة ليست غير صحية فحسب، بل إنها أيضًا خطيرة على صحة الإنسان. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو التحقيق في هذه المشكلة وتحسين إنتاجية المياه العذبة من خلال تطوير وحدة تقطير الطاقة الشمسية (SDU) التي تحتوي على جهاز تقطير الطاقة الشمسية (SS) والجامع الشمسي ذي الحوض المكافئ (PTC) الذي له التأثير الإيجابي على الإنتاجية التراكمية. ان تحسين معامل انتقال الحرارة لـ PTC هو النقطة الأساسية في هذه الدراسة، والتي يتم إجراؤها عن طريق إدخال معرقلات أسطوانية مجوفة جديدة التصميم داخل انبوب الاستقبال لمنظومة العاكس الشمسي ذي القطع المكافئ (PTR). من المتوقع أن تعمل المعرقلات الأسطوانية المصممة داخل الـPTR على تحسين معامل انتقال الحرارة ومنطقة انتقال الحرارة بين الـPTR والماء كسائل لنقل الحرارة (HTF) مقارنة بالمعرقلات الأخرى المذكورة في الدراسات السابقة (مثل الشريط الملتوي، و القضبان، و الزعانف، إلخ). تم تنفيذ العمل عددياً وتجريبياً في ظل الظروف المناخية لمدينة بابل (32.77 درجة شمالاً، 44.29 درجة غرباً) في كلية الهندسة / المسيب من الساعة 9:00 إلى 15:00 من أكتوبر 2023 إلى مايو 2024.
عددياً، تم اختيار أفضل تصميم للسطح العاكس لمنظومة الـPTC بواسطة برنامج (Parabola Calculator software) وتم ادخال التصميم في برنامج (ANSYS FLUENT R-2 20.0) لإجراء المحاكاة. تم تصميم ومحاكاة نظام الـ (PTC) والمعرقلات الأسطوانية باستخدام أدوات الـ (Solidworks) وديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) على التوالي. صمم الـ (PTC) بأبعاد (2.00 م) طولاً و (1.00 م) عرضًا. السطح العاكس صنع من صفائح مبطنة من الألومنيوم، والأنابيب مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم لامتصاص الحرارة. يبلغ القطر الخارجي للأنبوب (0.051 م) وسمكه (0.002 م). اتصلت المعرقلات الأسطوانية محوريًا وقطريًا أيضًا بالجزء الداخلي من PTR. ثمانون انبوب استقبال أسطواني مختلف تم تصميمها ومقارنتها بالأنبوب العادي. كان طول ، و سمك، وعدد المعرقلات بقيم مختلفة، وفحصت جميع هذه الأنابيب تحت درجة حرارة دخول ثابتة تبلغ (300 كلفن) ومعدلات تدفق كتلة تتراوح بين (0.6-1.0 كجم / ثانية). كما و تم التحقق من صحة نموذج الانبوب العادي من خلال مقارنة نتائجة مع النتائج التجريبية للأنبوب العادي من الدراسات السابقة. أظهرت نتائج المحاكاة أن إضافة تلك المعرقلات الأسطوانية المجوفة عززت و بشكل كبير من توحيد التدرج في درجة الحرارة بين جدار PTR والماء. كان اختيار النموذج الأمثل للمعرقلات الأسطوانية لتكون: بطول (0.004 م) ، بسمك (0.002 م)، وبعدد (15 إدخالاً). سجل هذا النموذج نسبة رقم نسلت (1.79)، نسبة معامل كسر (1.100)، و اعلى قيمة للاداء الهيدرو-حراري (1.73). وعلاوة على ذلك، تمت زيادة درجات حرارة مخرج الأنبوب العادي والأنبوب المعدل من (300 كلفن) إلى (325.5 كلفن) و (339.7 كلفن) على التوالي. واستنادًا إلى النتائج العددية، تم اعتبار النموذج الأمثل للمعرقلات الأسطوانية المجوفة للعمل التجريبي.
عملياً فأن اعلى نتائج تجربية سجلت يوم 7 ايار 2024، حيث كانت درجات حرارة خروج الماء (61.5 درجة مئوية) و (57.0 درجة مئوية) في حالة الانبوب المعدل (انبوب الاستقبال الذي يحتوي على المعرقلات الأسطوانية) و في حالة الأنبوب العادي (انبوب الاستقبال الخالي من اي معرقلات اسطوانية) على التوالي. الحرارة المفيدة وصلت قيمتها الى (1053.9 واط) في حالة الانبوب المعدل و (903.3 واط) في حالة الانبوب العادي. بالمقارنة مع PTC ذو الانبوب العادي، أظهر PTC ذو الانبوب المعدل زيادة بالكفاءة الحرارية وصلت الى 38% . لوحظ ايضا ان هناك توافق جيد بين النتائج العملية و النتائج العددية، حيث تم تقييم أداء (PTC) من خلال مقارنة النتائج العملية والعددية: درجة حرارة الماء الخارج والحرارة المفيدة والكفاءة الحرارية في حالتي الانبوب المعدل و الانبوب العادي. أخيرًا، لوحظ ان انتاجية المياه العذبة من SDU المعدلة (MSDU) (SS + PTC + المعرقلات الأسطوانية داخل انبوب الاستقبال) تحسنت بنسبة 89٪ و 15٪ مقارنة بـ SS و SDU التقليدتين على التوالي.

Enhancing the Thermal Performance of Parabolic Trough Solar Collector Using Cylindrical Turbulators for Water Desalination

ABSTRACT
Water is necessary for human survival; individuals consume (10-30 L) of clean water daily for drinking, cooking, and other household activities. Contaminated water is not only unsanitary but also dangerous to one’s health. The main aim of this study is to investigate this problem and improve freshwater productivity by developing a solar desalination unit (SDU) containing a solar still (SS) and a parabolic trough collector (PTC) that has a positive effect on cumulative productivity. Improving the heat transfer coefficient of the PTC is the key point of this study, which is performed by inserting a newly designed hollow cylindrical turbulators inside the parabolic trough receiver (PTR). The designed cylindrical turbulators inside a PTR are expected to improve the heat transfer coefficient and heat transfer area between a PTR and water as a heat transfer fluid (HTF) compared with other turbulators reported in the literature (twisted tape, rods, fins, etc.). The work was carried out numerically and experimentally under the climatic circumstances of Babylon city, Babil (32.77° N, 44.29° W), at the College of Engineering/Al-Musayab from 9:00 to 15:00, during selected days from October 2023 to May 2024.
Numerically, the best design for the reflector of PTC was selected using the Parabola Calculator tool 2.0 then the resulted Excel sheet introduced into the ANSYS FLUENT 20.0 R-2 to perform the simulation. The PTC and cylindrical turbulators were designed and simulated using Solidworks and computational fluid dynamics (CFD) tools, respectively. The PTC is designed with dimensions of 2.00 m in length and 1.00 m in width. The related reflector is made of lined sheets of aluminium, and the tubes are made of stainless steel used to absorb heat. They have an outer diameter of 0.051 m and a wall thickness of 0.002 m. The cylindrical turbulators are coupled axially and also radially joined to the interior of the PTR. Eighty different internal cylindrical receivers are examined and compared with the plain tube. The lengths, thicknesses, and numbers of turbulators are tested at varied values, and all these tubes are examined under a constant inlet temperature of 300 K and mass flow rates in the range of (0.6-1.0 kg/s). The developed model is validated with experimental correlations for plain tube from the literature review. The simulation findings demonstrated that the addition of hollow cylindrical turbulators may greatly enhance the uniformity of the temperature gradient between the wall of the PTR and the water. The optimum model of the cylindrical turbulators was selected to be a length of 0.040 m, a thickness of 0.002 m, and a number of 15 turbulators. This model recoded the Nusselt number ratio of 1.79, the friction factor ratio of 1.10, and the highest performance evaluation criteria 1.73. Moreover, the outlet water temperatures of the plain tube and modified tube are increased from 300 K to 325.5 K and 339.7 K, respectively. Based on the numerical findings, the optimum model of the hollow cylindrical turbulators was considered for the experimental work.
Experimentally, the outlet water temperatures recorded 61.5°C and 57.0°C for the modified PTR (tube with novel cylindrical turbulators) and the plain tube (tube without novel cylindrical turbulators), respectively. The heat gain reaches 1053.9 W in the modified PTR and 903.3 W in the plain tube. Compared to the PTC with a plain tube, the PTC with modified PTR showed 38% enhancement in thermal efficiency. It is concluded that the experimental results are in a good agreement with the numerical results of the optimal model of cylindrical turbulators. Also, the PTC performance is evaluated by comparing the experimental and numerical outcomes: the outlet temperature, useful heat, and thermal efficiency for modified PTR and plain tube. Finally, the productivity of freshwater from the modified SDU (MSDU) (SS+PTC contained cylindrical turbulators) improved by 89% and 15% compared to the conventional SS and SDU, respectively.