Επαναληπτικός σχεδιασμός ηλιακού αντιδραστήρα για μείωση καυτών σημείων και βελτιωμένη ομοιομορφία θερμοκρασίας
Η δέσμευση συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας για την παραγωγή καυσίμων και εμπορευμάτων μέσω μιας ηλιακής θερμοχημικής διαδικασίας είναι ένας ελκυστικός και ταχέως αναδυόμενος ερευνητικός τομέας με σημαντικές δυνατότητες μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου. Το κύριο συστατικό αυτής της διαδικασίας είναι ένας ηλιακός αντιδραστήρας που συλλαμβάνει τη συγκεντρωμένη ηλιακή ακτινοβολία για να μετατρέψει ένα αέριο πρώτης ύλης είτε σε καύσιμο ή/και σε βιομηχανικό προϊόν. Για παράδειγμα, η διάσπαση του φυσικού αερίου μέσω ηλιακής ενέργειας στα συστατικά του παράγει καύσιμο υδρογόνου και αιθάλη ως πολύτιμο αγαθό.
Η διατήρηση της ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας και η αποφυγή των καυτών σημείων στους ηλιακούς αντιδραστήρες είναι μια πρόκληση λόγω της σημειακής εστίασης της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Η ανομοιόμορφη θερμοκρασία μειώνει την απόδοση του συστήματος και μειώνει την ασφάλεια του συστήματος λόγω θερμικών κραδασμών και παραμορφώσεων. Οι Abedini Najafabadi και Ozalp (2018) επεσήμαναν αυτά τα προβλήματα και παρουσίασαν μια μεθοδολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο σχεδιασμού για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας στο εσωτερικό των αντιδραστήρων για την επίτευξη πιο ομοιόμορφης κατανομής θερμοκρασίας.
Ένας αντιδραστήρας κυλινδρικής κοιλότητας που ακτινοβολείται από ηλιακό προσομοιωτή 7 kW χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη των Abedini Najafabadi και Ozalp (2018). Πειραματικές μετρήσεις θερμοκρασίας σε διαφορετικά σημεία των τοιχωμάτων της εσωτερικής κοιλότητας αποκάλυψαν ένα καυτό σημείο στην πίσω πλάκα του ηλιακού αντιδραστήρα. Η ανάλυση μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας επιβεβαίωσε ότι η ροή θερμότητας στην πίσω πλάκα ήταν πολύ υψηλότερη από τα άλλα τοιχώματα της κοιλότητας (Εικόνα 1).
Ως μέτρο της ομοιομορφίας θερμοκρασίας στον ηλιακό αντιδραστήρα, ένας δείκτης ομοιομορφίας ορίστηκε ως ο λόγος της μέσης θερμοκρασίας του αντιδραστήρα προς τη διαφορά μεταξύ της υψηλότερης και της χαμηλότερης θερμοκρασίας κατά μήκος του κυλίνδρου της κοιλότητας. Διερευνήθηκαν αρκετοί επανασχεδιασμοί του αντιδραστήρα για τη βελτίωση της κατανομής της θερμοκρασίας. Κάθε προσέγγιση σχεδίασης αξιολογήθηκε μέσω ενός λεπτομερούς αριθμητικού μοντέλου που βασίζεται σε δισδιάστατη (2D) δυναμική ροής ρευστού και προσομοιώσεις μεταφοράς θερμότητας του ηλιακού αντιδραστήρα. Η ακρίβεια του μοντέλου επικυρώθηκε συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα με πειραματικά μετρημένες θερμοκρασίες σε διαφορετικά σημεία του αντιδραστήρα.
Η πρώτη προσέγγιση ήταν η εναλλαγή των θυρών εισόδου και εξόδου αερίου. Στην αρχική γεωμετρία, το αέριο τροφοδοσίας εισήλθε μέσω τριών εφαπτομενικών εισαγωγών κοντά στην μπροστινή φλάντζα και έβγαινε από την κοιλότητα μέσω μιας θύρας στην πίσω πλάκα. Με την εναλλαγή των θυρών εισόδου και εξόδου, το αέριο μετέφερε την ενέργεια από τις θερμές επιφάνειες σε κρύες επιφάνειες και προώθησε μια πιο ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας. Αυτή η τροποποίηση αύξησε τη θερμοκρασία του αερίου κατά περίπου 20%. Ωστόσο, είχε μια ασήμαντη επίδραση στη θερμοκρασία των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα λόγω της μικρής συμβολής της εσωτερικής μεταφοράς στη συνολική μεταφορά θερμότητας εντός του ηλιακού αντιδραστήρα.
Η δεύτερη προσέγγιση σχεδιασμού ήταν να αυξηθεί το πάχος της μόνωσης για να μειωθούν οι απώλειες θερμότητας στον περιβάλλοντα αντιδραστήρα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, ο διπλασιασμός του πάχους του στρώματος μόνωσης αύξησε τη θερμοκρασία στον κύλινδρο της κοιλότητας μόνο κατά 5%. Επιπλέον, η αύξηση του πάχους της μόνωσης δεν βελτίωσε την ομοιομορφία θερμοκρασίας στον κύλινδρο της κοιλότητας.
Σύμφωνα με την ενεργειακή ανάλυση που έγινε από τους Abedini Najafabadi και Ozalp (2018), η μπροστινή φλάντζα συνέβαλε σε σημαντική απώλεια θερμότητας στο περιβάλλον λόγω της μεγάλης επιφάνειάς της. Επομένως, για τον τρίτο επανασχεδιασμό, οι διαστάσεις της μπροστινής φλάντζας μειώθηκαν. Αυτή η τροποποίηση αύξησε τη μέση θερμοκρασία του κυλίνδρου της κοιλότητας κατά 7% και τον δείκτη ομοιομορφίας κατά 10%.
Για την τελική τροποποίηση, το μήκος και η ακτίνα του αντιδραστήρα άλλαξαν διατηρώντας τον όγκο του αντιδραστήρα σταθερό. Η μείωση της ακτίνας και η αύξηση του μήκους του αντιδραστήρα αύξησε τον δείκτη ομοιομορφίας θερμοκρασίας κατά 31%. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, η μείωση των διαστάσεων της μπροστινής φλάντζας και η μείωση της εσωτερικής ακτίνας του αντιδραστήρα κοιλότητας απέδωσε την πιο ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας μέσα στον ηλιακό αντιδραστήρα. Με την εφαρμογή και των δύο τροποποιήσεων, η μέση θερμοκρασία των τοιχωμάτων του κυλίνδρου της εσωτερικής κοιλότητας αυξήθηκε κατά 27% και ο δείκτης ομοιομορφίας θερμοκρασίας αυξήθηκε κατά 58%.
Μια επισκόπηση των προτεινόμενων τροποποιήσεων σχεδιασμού για τη βελτίωση της κατανομής θερμοκρασίας στον ηλιακό αντιδραστήρα συνοψίζεται στο Σχήμα 2. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται από τους Abedini Najafabadi και Ozalp (2018) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο σχεδιασμού για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας εντός ηλιακών αντιδραστήρων. Ο αναγνώστης μπορεί να ακολουθήσει τα βήματα σε αυτό το έγγραφο για να σχεδιάσει τους αντιδραστήρες ή τους αντιδραστήρες του με σιγουριά και κατανοώντας ξεκάθαρα τη φυσική πίσω από τη διαδικασία σε βαθμό που δεν είναι δυνατός χρησιμοποιώντας εμπορικό λογισμικό.
Αναφορά:
- Abedini-Najafabadi, H., Ozalp, N. (2018). Μια προηγμένη μοντελοποίηση και πειραματική μελέτη για τη βελτίωση της ομοιομορφίας θερμοκρασίας ενός ηλιακού δέκτη. Energy, Vol. 165, σελ. 984-998 .
