Μελέτη ροϊκών φαινομένων για μεγιστοποίηση θερμανταλλαγής σε ολοκληρωμένο ηλιακό σύστημα συλλέκτη-αποθήκης

Transcript

1 ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Π. ΓΚΕΡΤΖΟΥ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ Μελέτη ροϊκών φαινομένων για μεγιστοποίηση θερμανταλλαγής σε ολοκληρωμένο ηλιακό σύστημα συλλέκτη-αποθήκης ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΟΥ ΕΓΚΡΙΘΗΚΕ ΑΠΟ ΤΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΠΑΤΡΑ 2008

2

3 Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών Τομέας Ενέργειας Περιβάλλοντος & Αεροναυτικής Μελέτη ροϊκών φαινομένων για μεγιστοποίηση θερμανταλλαγής σε ολοκληρωμένο ηλιακό σύστημα συλλέκτη-αποθήκης Διδακτορική Διατριβή Κωνσταντίνος Π. Γκέρτζος Μηχανολόγος Μηχανικός Πάτρα 2008 i

4 Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή κ. Ιωάννης Καούρης, Επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών (Επιβλέπων) κ. Παναγιώτης Κούτμος, Αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. κ. Θρασύβουλος Πανίδης, Επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Επταμελής Εξεταστική Επιτροπή κ. Ιωάννης Καούρης, Επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών (Επιβλέπων) κ. Παναγιώτης Κούτμος, Αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, (μέλος 3μελούς). κ. Θρασύβουλος Πανίδης, Επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών (μέλος 3μελούς) κ. Ιωάννης Καλλιντέρης, Καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. κ. Νικόλαος Κυριάκης, Καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. κ. Κωνσταντίνος Κίττας, Καθηγητής του τμήματος Γεωπονίας, Φυτικής Παραγωγής και Αγροτικού Περιβάλλοντος του Πανεπιστήμιου Θεσσαλίας. κ. Γεώργιος Τσιλιγκιρίδης, Επίκουρος Καθηγητής, του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. ii

5 iii

6 iv

7 Κων/νος Γκέρτζος. Μελέτη ροϊκών φαινομένων για μεγιστοποίηση θερμανταλλαγής σε ολοκληρωμένο ηλιακό σύστημα συλλέκτη-αποθήκης. Διδακτορική διατριβή, Πανεπιστήμιο Πάτρας 18 προκαταρκτικές σελίδες, 258 εικόνες, 15 πίνακες, 135 Βιβλιογραφικές αναφορές Περίληψη Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να διερευνηθούν τα ροϊκά φαινόμενα που συμβαίνουν στο εσωτερικό ενός ολοκληρωμένου συστήματος επίπεδου ηλιακού συλλέκτη αποθήκης (Integrated Collector Storage ICS), με στόχο τη μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής (του ποσού δηλαδή τής θερμότητας που μεταβιβάζεται από το νερό στο εσωτερικό του συλλέκτη-αποθήκης προς το νερό των σωληνώσεων του εναλλάκτη, το νερό χρήσης δηλαδή). Στο κεφάλαιο 1 της διατριβής αυτής αναφέρεται ο σκοπός της διατριβής και δίνεται μια συνοπτική περιγραφή των παραμέτρων που επηρεάζουν το θέμα που εξετάζεται. Στη συνέχεια αναφέρονται οι διάφοροι τύποι ηλιακών συστημάτων ζεστού νερού χρήσης και δίνεται μια σύντομη περιγραφή των ICS καθώς και του επίπεδου ICS που εξετάζεται και ακολουθεί μία ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια δίνονται κάποια διευκρινιστικά στοιχεία εννοιών του κειμένου και στοιχεία από την διανυσματική ανάλυση στην Ρευστομηχανική για πληρέστερη κατανόηση των εξισώσεων του 2 ου κεφαλαίου. Στο κεφάλαιο 2 δίδονται στοιχεία από τη θεωρία της Μηχανικής των Ρευστών. Αναφέρονται οι εξισώσεις συνέχειας, Navier Stokes και ενέργειας, που περιγράφουν το ροϊκό πεδίο, που επιλύονται από το υπολογιστικό μοντέλο. Στην συνέχεια δίνεται μια σύντομη περιγραφή για την τυρβώδη ροή και το οριακό στρώμα. Εξετάζονται επίσης και οι περιοχές του οριακού στρώματος κοντά σε τοίχωμα και οι εξισώσεις που υπάρχουν για την περίπτωση αυτή. Ακολουθεί μία περιγραφή των μοντέλων τύρβης που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή, οι εξισώσεις που τα περιγράφουν και η επίδραση των τοιχωμάτων στις τυρβώδεις ροές, με σκοπό την κατασκευή ενός κατάλληλου πλέγματος για τα υπολογιστικά μοντέλα, ώστε να προκύπτουν αξιόπιστα αποτελέσματα. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού δίνονται όλες οι απαραίτητες σχέσεις για τον υπολογισμό των μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν σαν είσοδοι στα υπολογιστικά μοντέλα. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι βασικές πειραματικές αρχές της ταχυμετρίας Laser-Doppler και γίνεται αναλυτική παρουσίαση των εξισώσεων για το σύστημα v

8 διπλής ακτίνας, για την μετατόπιση συχνότητας και την επεξεργασία σήματος. Στη συνέχεια εξετάζεται το φαινόμενο της διάθλασης των ακτίνων laser όταν περνούν από διαφανή τοιχώματα (plexiglas) που από την μία πλευρά άπτονται με αέρα και από την άλλη με νερό. Υπολογίζεται μια διορθωτική σχέση που περιγράφει την μετατόπιση της βηματικής τράπεζας που κινεί το laser, με την μετακίνηση του σημείου μέτρησης. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε, καθώς και όλα τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για την λήψη των μετρήσεων ταχυτήτων. Αναφέρονται δε και κάποια λεπτά σημεία που πρέπει να προσεχθούν ιδιαίτερα, ώστε να επιτευχθούν αξιόπιστες μετρήσεις. Στη συνέχεια περιγράφονται τα μεγέθη που μετρήθηκαν καθώς και η διαδικασία λήψης μετρήσεων. Στο τέλος αναφέρεται η διαδικασία φωτογράφησης και βιντεοσκόπησης των ροϊκών γραμμών. Στο κεφάλαιο 5 παραχωρείται αναλυτική παρουσίαση των πειραματικών μετρήσεων. Συγκεκριμένα, δίνονται διανύσματα, ροϊκές γραμμές, ισοϋψείς καμπύλες και γραφήματα ταχυτήτων κατά μήκος των γραμμών μέτρησης και ισοϋψείς καμπύλες διακύμανσης ταχυτήτων και τυρβώδους κινητικής ενέργειας. Ακολουθεί σύγκριση αποτελεσμάτων και συζήτηση. Στη συνέχεια γίνεται ακριβής προσδιορισμός του κέντρου περιστροφικής κίνησης, εξετάζεται η επίδραση της παροχής ανακυκλοφορίας στις ταχύτητες στο εσωτερικό του συλλέκτη και εκτιμάται ο χρόνος αποκατάστασης ισορροπίας της ροής. Τέλος, δίνεται η επίδραση των τοιχωμάτων στις ταχύτητες και τα προφίλ ταχυτήτων κατά την z συνιστώσα σε συγκεκριμένες θέσεις. Ακολουθούν τα συμπεράσματα που εξάγονται από την παρατήρηση των μετρήσεων. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η ανάπτυξη του υπολογιστικού μοντέλου, με δημιουργία πλέγματος σύμφωνα με τις υποδείξεις του κεφαλαίου 2. Ως λογισμικό προσομοίωσης έχει χρησιμοποιηθεί το εμπορικό πακέτο FLUENT. Περιγράφεται ο υπολογισμός των ποσοτήτων που απαιτούνται σαν είσοδοι στο υπολογιστικό μοντέλο και η διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί κατά την επίλυση, ώστε να προκύψει ευκολότερη και ταχύτερη σύγκλιση. Ακολουθεί η επίλυση με βάση διάφορα μοντέλα τύρβης που παρέχει το Fluent και σύγκριση των αποτελεσμάτων αφενός μεταξύ τους και αφετέρου με πειραματικά. Επιλέγεται το καταλληλότερο μοντέλο για την υπό εξέταση συσκευή που όπως προκύπτει είναι το standard k-ω, γιατί δίνει πιο αξιόπιστα αποτελέσματα και συγκλίνει ταχύτερα στη λύση. Εξετάζεται η επίδραση της vi

9 τραχύτητας των τοιχωμάτων στη μέση ταχύτητα του νερού της δεξαμενής. Διεξάγεται αναλυτική σύγκριση υπολογιστικών και πειραματικών αποτελεσμάτων και ακολουθεί χρονικά μεταβαλλόμενη επίλυση του μοντέλου, για να υπολογιστεί ο χρόνος αποκατάστασης ισορροπίας της ροής. Εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας του νερού αποθήκης στην τιμή της μέσης ταχύτητας του. Ακολουθεί ο προσδιορισμός της βέλτιστης θέσης και της διαμέτρου των στομίων εισόδου και εξόδου, της βέλτιστης θέσης των πτερυγίων συγκράτησης των δύο μεγάλων επιφανειών του συλλέκτη και της βέλτιστης θέσης των σωληνώσεων του εναλλάκτη. Για την επίλυση του μοντέλου με εναλλάκτη χρησιμοποιείται διαφορετικό μοντέλο πλέγματος. Στο τέλος επιλύονται και οι εξισώσεις ενέργειας, (σε σταθερή και μεταβατική κατάσταση) ώστε να υπολογίζεται η μεταδιδόμενη θερμότητα και να εξετάζεται η επίδραση όλων των εμπλεκομένων παραμέτρων. Για την πιστοποίηση της ενεργειακής συμπεριφοράς αναπτύχθηκε νέο υπολογιστικό μοντέλο όμοιο με πειραματικό. Τα αποτελέσματα βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά, τόσο σε φυσική όσο και σε εξαναγκασμένη κυκλοφορία. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται σύντομη ανασκόπηση των εξαγομένων συμπερασμάτων και περιγραφή περαιτέρω αξιοποίησης τους στην κατασκευή ενός βέλτιστου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη-αποθήκη. Τέλος, ακολουθεί μια σύντομη παρουσίαση των επιπλέον θεμάτων που θα μπορούσαν να διερευνηθούν σε μελλοντική έρευνα. Στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε κατά την υλοποίηση της παρούσας διατριβής. vii

10

11 Πρόλογος - Ευχαριστίες Θα ήθελα στο σημείο αυτό να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της εν λόγω διατριβής κ. Ιωάννη Καούρη Επίκουρο Καθηγητή του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Παν/μιου Πάτρας για την δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με το παρόν θέμα, για την αμέριστη βοήθεια, ενθάρρυνση, καθοδήγηση και υπομονή του καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω και στα άλλα δύο μέλη της συμβουλευτικής επιτροπής. Τον κ. Πανίδη Θρασύβουλο Επίκουρο Καθηγητή, για τις επιστημονικές του υποδείξεις, καθώς και την βοήθεια που μου προσέφερε αυτός και το εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής, ιδιαίτερα στην υλοποίηση του πειραματικού τμήματος της παρούσας διατριβής, χωρίς την οποία θα ήταν πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθεί. Τον κ. Κούτμο Παναγιώτη Καθηγητή για την καθοδήγηση του στο υπολογιστικό τμήμα της διατριβής, καθώς και για την θέση εργασίας του προγράμματος Fluent που μας παρείχε για την αριθμητική επίλυση του μοντέλου προσομοίωσης. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον μεταπτυχιακό φοιτητή του εργαστηρίου Τεχνικής Θερμοδυναμικής κ. Αλέξανδρο Βούρο για την αμέριστη βοήθεια του στην υλοποίηση της πειραματικής διάταξης LDV, και την διαδικασία μετρήσεων. Τέλος αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω τα παιδιά μου Πέτρο και Χρήστο για τον πολύτιμο χρόνο που τους στέρησα όλο το διάστημα που διήρκεσε αυτή η προσπάθεια. ix

12 x Στους γονείς μου

13 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγικά στοιχεία Εισαγωγή σκοπός της διδακτορικής διατριβής Ηλιακά συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης Κεντρικά ηλιακά συστήματα Θερμοσιφωνικά συστήματα Ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη αποθήκης παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (ICSSWH) Ολοκληρωμένο σύστημα επίπεδου συλλέκτη αποθήκης με αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωμα και εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία Ανασκόπηση Βιβλιογραφίας Διευκρινιστικά στοιχεία εννοιών κειμένου Στοιχεία από την διανυσματική ανάλυση Κεφάλαιο 2 Εξισώσεις ροϊκού πεδίου Μοντέλων τύρβης Τύρβη Οριακό στρώμα Γενικά στοιχεία Ορισμοί Πότε η ροή θεωρείται τυρβώδης; Πόσο σύνθετη είναι μια ροή Οριακό στρώμα Κατανομή ταχύτητας τυρβώδους οριακού στρώματος Θερμοκρασιακό οριακό στρώμα Εξισώσεις Συνέχειας, Navier Stokes, Ενέργειας Εξίσωση διατήρησης μάζας (ή συνέχειας) Εξισώσεις διατήρησης ορμής (Navier-Stokes) Εξίσωση ενέργειας Μοντελοποίηση τύρβης (Μοντέλα τυρβώδους ροής) Οι τροποποιημένες εξισώσεις Reynolds Η προσέγγιση Boussinesq Μοντέλο Spalart-Allmaras Μοντέλο k-ε Μοντέλο RNG k-ε Realizable k-ε Μοντέλο Standard μοντέλο k-ω Μοντέλο Μεταφοράς Διατμητικής τάσης k-ω (Shear-Stress Transport SST) Το μοντέλο τάσεων Reynolds - Reynolds Stress Model (RSM) Μοντέλο προσομοίωσης μεγάλων δινών (Large Eddy Simulation-LES) Επίδραση τοιχωμάτων σε τυρβώδη ροή Συναρτήσεις τοιχώματος Μοντελοποίηση κοντά στο τοίχωμα Κριτήρια για την κατασκευή πλέγματος κοντά στο τοίχωμα Κριτήρια με χρήση συναρτήσεων τοιχώματος Κριτήρια με μοντελοποίηση κοντά στο τοίχωμα Εκτίμηση της θέσης του πρώτου σημείου πλέγματος Κριτήρια για το μοντέλο Spalart-Allmaras Κριτήρια για τα μοντέλα k-ω Κριτήρια για το μοντέλο LES Κριτήρια για τα μοντέλα k-ε, RSM Προσαρμογή του πλέγματος μετά την εύρεση λύσης Προσδιορισμός παραμέτρων τύρβης σε εισόδους - εξόδους Ένταση τύρβης Ι (Turbulence Intensity) Τυρβώδης κλίμακα μήκους (Turbulence Length Scale) Λόγος ιξώδους δίνης (turbulence viscosity ratio) Τροποποιημένο κινηματικό ιξώδες δίνης Τυρβώδης κινητική ενέργεια k Ρυθμός εκφυλισμού τυρβώδους κινητικής ενέργειας ε Ειδικός ρυθμός εκφυλισμού τυρβώδους κινητικής ενέργειας ω Συνιστώσες τάσεων Reynolds σαν συνάρτηση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας k xi

14 2.6.9 Ολική πίεση σε εισόδους Προφίλ ταχυτήτων σε κυκλικό αγωγό με λεία τοιχώματα Προφίλ ταχυτήτων μεταξύ παραλλήλων πλακών Οριακό στρώμα σε ανοιχτή ροή σε πλάκα με λεία τοιχώματα Αδιάστατοι αριθμοί Ιδιότητες υλικών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας Δυναμικό ιξώδες σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας Πυκνότητα ως συνάρτηση της θερμοκρασίας Ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση ως συνάρτηση της θερμοκρασίας Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας Κεφάλαιο 3 Ταχυμετρία Laser Doppler (LDV) Βασικές Αρχές της Ταχυμετρίας Laser Doppler (LDV) Απευθείας ανίχνευση Ετερόδυνη ανίχνευση Περιγραφή του Συστήματος Διπλής Ακτίνας Ταχύτητα σωματιδίου Απόσταση κροσσών συμβολής Πλάτος όγκου ελέγχου Μήκος όγκου ελέγχου Αριθμός των κροσσών συμβολής Μετατόπιση Συχνότητας Επεξεργασία σήματος Οπτική απεικόνιση με φωτισμό από laser Τύποι και μεγέθη Laser Διάθλαση δεσμών laser σε τοίχωμα plexiglas και νερό Στατιστική ανάλυση των δεδομένων Κατανομή πυκνότητας πιθανότητας σε μετρήσεις ταχύτητας Μέση ταχύτητα: Δεύτερη ροπή διακυμάνσεων της ταχύτητας: Τρίτη ροπή διακυμάνσεων της ταχύτητας: Τέταρτη ροπή διακυμάνσεων της ταχύτητας: Κεφάλαιο 4 Πειραματική διάταξη Περιγραφή πειραματικής διάταξης όργανα λήψης μετρήσεων Λήψη μετρήσεων Μετρήσεις ux, u x, uy, u y, για ανακυκλοφορία Q=900 l/h Μετρήσεις ux, u x, uy, u y, για ανακυκλοφορία Q=500 l/h Μετρήσεις για τον προσδιορισμό κέντρου περιστροφικής κίνησης Μετρήσεις ταχυτήτων κοντά στα τοιχώματα Προφίλ ταχυτήτων Οριακό στρώμα Ταχύτητες σαν συνάρτηση της ανακυκλοφορίας Εκτίμηση του χρόνου αποκατάστασης ισορροπίας της ροής Διαδικασία λήψης μετρήσεων Λήψη βίντεο Φωτογράφηση τροχιών Κεφάλαιο 5 Παρουσίαση μετρήσεων Αποτελέσματα για ανακυκλοφορία Q= 900 l/h Διανύσματα ροϊκού πεδίου (vectors) Ισοϋψείς καμπύλες ταχυτήτων (contours) Γραφήματα Vx(x), Vy(x), Vmag(x) κατά μήκος ευθειών y=σταθερό, x=σταθερό Χαρακτηρισμός ροής (στρωτή ή τυρβώδης) Ισοϋψείς καμπύλες τοπικού αριθμού Reynolds Ισοϋψείς καμπύλες (contours) διακύμανσης ταχύτητας Vrms και τυρβώδους κινητικής ενέργειας k Σύγκριση Αποτελεσμάτων για ανακυκλοφορία Q= 900 και 500 l/h Προσδιορισμός κέντρου περιστροφικής κίνησης Ταχύτητες σαν συνάρτηση της ανακυκλοφορίας του κυκλοφορητή Χρόνος αποκατάστασης ισορροπίας της ροής xii

15 5.6 Επίδραση του τοιχώματος στο μέτρο της ταχύτητας Προφίλ ταχυτήτων Οριακό στρώμα Συμπεράσματα για το ροϊκό πεδίο (επισκόπηση αποτελεσμάτων) Κεφάλαιο 6 Υπολογιστικό μοντέλο Υπολογιστικό μοντέλο απλό (χωρίς πτερύγια και εναλλάκτη) Παραδοχές για την κατασκευή του πλέγματος Δεδομένα εισόδου στο λογισμικό FLUENT Διαδικασία επίλυσης Αποτελέσματα για διάφορα μοντέλα τύρβης Σύγκριση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων Παρουσίαση υπολοίπων χαρακτηριστικών ροϊκού πεδίου Υπολογιστικό μοντέλο σε μεταβατική ροή. Εύρεση χρόνου αποκατάστασης ροής Ροϊκό πεδίο με θερμοκρασία αποθήκης 50ºC Συμπεράσματα για το ροϊκό πεδίο της συσκευής Υπολογιστικό μοντέλο με πτερύγια και εναλλάκτη Επίδραση θέσης στομίου εισόδου εξόδου στο ροϊκό πεδίο Επίδραση μεγέθους στομίου εισόδου εξόδου στο ροϊκό πεδίο Επίδραση απόστασης στομίων ld από το τοίχωμα Θέση πτερυγίων Θέση εναλλάκτη Σύγκριση αποτελεσμάτων παρ. 6.1 και Υπολογιστικό μοντέλο με θερμανταλλαγή Θερμοκρασία εξόδου νερού χρήσης σα συνάρτηση της παροχής ανακυκλοφορίας με σταθερή θερμοκρασία δεξαμενής Θερμοκρασία εξόδου νερού χρήσης σα συνάρτηση της παροχής ανακυκλοφορίας με σταθερή θερμοκρασία εισόδου νερού δεξαμενής Θερμοκρασία νερού χρήσης σα συνάρτηση θέσης του εναλλάκτη Επίδραση των πτερυγίων στη θερμοκρασία του νερού χρήσης Υπολογιστικό μοντέλο με φυσική κυκλοφορία Μοντέλο ανακυκλοφορίας με χρήση θεωρίας επίπεδων μίξης Διαδικασία προσδιορισμού πίεσης εισόδου, εξόδου όταν υπάρχει μίξη Μεταβατικό υπολογιστικό μοντέλο (χρονικά μεταβαλλόμενο) Υπολογιστικό μοντέλο χρονικά μεταβαλλόμενο για φυσική ροή Υπολογιστικό μοντέλο χρονικά μεταβαλλόμενο για βεβιασμένη κυκλοφορία Πιστοποίηση του υπολογιστικού μοντέλου σε θερμανταλλαγή Συμπεράσματα από την ανάλυση μοντέλου με πτερύγια και εναλλάκτη Κεφάλαιο 7 Σύνοψη Συμπεράσματα Κεφάλαιο 8 Βιβλιογραφία xiii

16

17 Κατάλογος συμβόλων c p Ειδική θερμότης υπό σταθερή πίεση (J kg -1 K -1 ) c v Ειδική θερμότης υπό σταθερό όγκο (J kg -1 K -1 ) d D H E F g Gr Διάμετρος (m) Υδραυλική διάμετρος (m) Ολική ενέργεια (J) Διάνυσμα δύναμης (N) Διάνυσμα επιτάχυνσης βαρύτητας (m s -2 ) = m s -2 Αριθμός Grashof λόγος ανωστικών δυνάμεων προς δυνάμεις ιξώδους (Αδιάστατος) H Ολική ειδική ενθαλπία (J kg -1, J mole -1 ) h Συντελεστής μετάδοσης θερμότητας με συναγωγή (W m -1 K -1 ) h i Ειδική ενθαλπία συστατικού i μίγματος (J kg -1, J mole -1 ) I Ένταση τύρβης (Turbulence Intensity) (%) J Ρυθμός ροής διάχυσης (kg m -2 s -2 ) k Τυρβώδης κινητική ενέργεια ανά μονάδα μάζας (J kg -1, m 2 s -2 ) k Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (W m -1 K -1 ) l,, L m m p Pr Μήκος (m) Μάζα (kg) Παροχή μάζας (kg s -1 ) Πίεση (Pa) Αριθμός Prandtl number λόγος θερμότητας που παράγεται λόγω τριβής προς τη θερμότητα που μεταφέρεται από την αγωγιμότητα του ρευστού ή μέτρο των σχετικών μεγεθών της ορμής και της θερμικής διάχυσης στο ρευστό (Αδιάστατος) xv

18 q Θερμότητα ανά μονάδα επιφανείας (W m -2 ) r Ra Re Re t Ακτίνα (m) Αριθμός Rayleigh Gr x Pr Μέτρο της έντασης ροής που προκαλείται από ανωστικές δυνάμεις σε ελεύθερη μεταφορά θερμότητας (φυσική κυκλοφορία ) ή λόγος της θερμικής άνωσης προς την αδράνεια λόγω ιξώδους (Αδιάστατος) Αριθμός Reynolds λόγος των αδρανειακών δυνάμεων προς τις δυνάμεις ιξώδους (Αδιάστατος) Τυρβώδης αριθμός Reynolds (Αδιάστατος) S ι Eντροπία συστατικού i μίγματος (J kg -1 K -1, J mole -1 K -1 ) Sc S ij Αριθμός Schmidt λόγος κινηματικού ιξώδους προς τον συντελεστή μοριακής διάχυσης (Αδιάστατος) Τανυστής μέσου ρυθμού παραμορφώσεων (Mean rate-of-strain tensor) (s -1 ) T t U Θερμοκρασία (K) Χρόνος (s) Ταχύτητα ελεύθερης ροής (Free-stream velocity), συνισταμένη ταχύτητας (m s -1 ) ' U Διακύμανση συνισταμένης ταχύτητας (m s -1 ) U Μέση τιμή ως προς χρόνο της συνισταμένης ταχύτητας (m s -1 ) u, v, w u x, u y, u z u i, u j, u l u 1, u 2, u 3 Μέτρο συνιστωσών ταχύτητας σε καρτεσιανό σύστημα (m s -1 ) u Μέση τιμή ως προς χρόνο της ταχύτητας (m s -1 ) ' u Διακύμανση της ταχύτητας (m s -1 ) ' u rms, u '2 V Όγκος (m 3 ) x y z Απόκλιση διακύμανσης της ταχύτητας (m s -1 ) V, V, V Πειραματικές τιμές συνιστωσών ταχύτητας (m s -1 ) xvi

19 V mag, V Πειραματική τιμή συνισταμένης ταχύτητας (m s -1 ) ' ' ' V xrms, Vyrms, V Πειραματικές τιμές συνιστωσών απόκλισης διακύμανσης zrms ταχύτητας (m s -1 ) ' V Συνιστώσα απόκλισης διακύμανσης ταχύτητας για ισότροπα irms μοντέλα τύρβης (m s -1 ) ' V Πειραματική τιμή συνισταμένης διακύμανσης ταχύτητας (m s -1 ) rms υ X i y + Y i Διάνυσμα ταχύτητας (m s -1 ) Γραμμομοριακό κλάσμα συστατικού i ενός μίγματος (αδιάστατο) Αδιάστατη απόσταση από το τοίχωμα Κλάσμα μάζας συστατικού i ενός μίγματος (αδιάστατο) α Συντελεστής θερμικής διαχυτότητας (m 2 s -1 ) β Συντελεστής θερμικής διαστολής (K -1 ) δ δ ij ε λ μ Πάχος οριακού στρώματος (m) Συνάρτηση δέλτα του Kronecker Ρυθμός εκφυλισμού τυρβώδους κινητικής ενέργειας (Turbulent dissipation rate) (m 2 s -3 ) Δεύτερος συντελεστής δυναμικού ιξώδους για ανισότροπα υλικά. (σε ισότροπα = 0). (kg m -1 s -1, Pa s) Δυναμικό ή μοριακό ιξώδες (kg m -1 s -1, Pa s) μ t (Δυναμικό) ιξώδες δίνης (turbulence ή eddy viscosity) (kg m -1 s -1, Pa s) μ eff Ολικό ή ενεργό (δυναμικό) ιξώδες (kg m -1 s -1, Pa s) ν Κινηματικό ιξώδες (m 2 s -1 ) ν t Κινηματικό ιξώδες δίνης (m 2 s -1 ) ν ~ Τροποποιημένο κινηματικό ιξώδες δίνης για το μοντέλο Spalart- Allmaras (m 2 s -1 ) ρ Πυκνότητα (kg m -3 ) xvii

20 σ Απόκλιση διακύμανσης της ταχύτητας (m s -1 ) τ Τανυστής τάσης (Pa, Ν m -2 ) τ Διατμητική τάση (Pa, Ν m -2 ) Ω Γωνιακή ταχύτητα (s -1 ) Ω ij ω Τανυστής μέσου ρυθμού περιστροφής (Mean rate-of-rotation tensor) (s -1 ) Ειδικός ρυθμός εκφυλισμού τυρβώδους κινητικής ενέργειας (Specific dissipation rate) (s -1 ) ω Διάνυσμα στροβιλότητας (Vorticity vector) (s -1 ) xviii

21 Εισαγωγικά στοιχεία Κεφάλαιο 1 Εισαγωγικά στοιχεία 1

22

23 Εισαγωγικά στοιχεία 1.1 Εισαγωγή σκοπός της διδακτορικής διατριβής Η σημαντικότερη αιτία, που καθυστερεί τη διείσδυση των Ηλιακών συστημάτων στην αγορά, είναι η ανταποδοτικότητα τους. Ο χρόνος ζωής δηλαδή, σε συνδυασμό με το κόστος τους. Η υπό εξέταση συσκευή αποβλέπει στη βελτίωση και των δύο αυτών παραγόντων. Στην αύξηση δηλαδή του χρόνου ζωής με παράλληλη μείωση του κόστους, ενώ προσκομίζει και άλλα επιπρόσθετα οφέλη, όπως αισθητικότερο σχεδιασμό, ελαφρύτερη κατασκευή κ.α., που καθιστούν περαιτέρω ελκυστική την αγορά του προκύπτοντος προϊόντος. Οι περισσότερες μελέτες και αναφορές που έχουν γίνει και αφορούν ηλιακούς συλλέκτες εξετάζουν την απόδοση τους σε προσφερόμενο θερμό νερό χρήσης, χωρίς να εξετάζουν ποιοι παράγοντες της ροής στο εσωτερικό τους θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση αυτή. Η εργασία αυτή ασχολείται με ένα συγκεκριμένο ολοκληρωμένο ηλιακό σύστημα επίπεδου συλλέκτη - αποθήκης ή I.C.S. (Integrated Collector Storage), όπως περιγράφεται στην παράγραφο 1.3, σε εξαναγκασμένη ροή ανακυκλοφορίας του αποθηκευμένου νερού. Σκοπός της διδακτορικής αυτής διατριβής είναι να διερευνηθούν τα ροϊκά φαινόμενα που συμβαίνουν στο εσωτερικό του συλλέκτη αποθήκης, με βασικό στόχο τη μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής από το κύκλωμα του νερού της αποθήκης στο κύκλωμα του νερού χρήσης. Η δημιουργία ενός αναλυτικού υπολογιστικού μοντέλου που να περιγράφει ένα τέτοιο συλλέκτη είναι πολύ δύσκολη λόγω της πολυπλοκότητας των φαινομένων (ροϊκών και θερμικών) που συμβαίνουν, αλλά και της γεωμετρίας. Έτσι η μόνη διέξοδος είναι η υπολογιστική προσομοίωση, χρησιμοποιώντας αριθμητικές μεθόδους ή λογισμικό υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Όπως αποδεικνύεται, από πειραματικά (κεφάλαιο 5) και υπολογιστικά αποτελέσματα (κεφάλαιο 6), η αύξηση της ταχύτητας στο εσωτερικό της αποθήκης λόγω εξαναγκασμένης ανακυκλοφορίας, έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου του νερού χρήσης. Άρα ο βασικός στόχος που προαναφέρθηκε εξυπηρετείται με την μεγιστοποίηση της μέσης ταχύτητας στο εσωτερικό του συλλέκτη. Οι επιμέρους παράγοντες που διερευνώνται στην παρούσα διατριβή αναφέρονται στην συνέχεια. Για την δημιουργία αξιόπιστου θερμικού μοντέλου πρέπει πρώτα να αναπτυχθεί ένα θεωρητικό υπολογιστικό ροϊκό μοντέλο που να συμφωνεί με τα πειραματικά 3

24 Κεφάλαιο 1 αποτελέσματα. Με τη βοήθεια των πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων υπολογίζονται τα ροϊκά χαρακτηριστικά του νερού στο εσωτερικό του συλλέκτη (η κατανομή των ταχυτήτων, η διακύμανση τους κτλ.). Εξετάζεται η επίδραση της τραχύτητας των τοιχωμάτων στην ταχύτητα του νερού και κυρίως επιλέγεται το μοντέλο τύρβης που περιγράφει σωστότερα τα ροϊκά φαινόμενα, ώστε να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω. Έχοντας αυτό σαν δεδομένο, διερευνάται πλέον η βέλτιστη θέση των πτερυγίων συγκράτησης των δύο κύριων επίπεδων επιφανειών του συλλέκτη, με στόχο την μεγιστοποίηση των ταχυτήτων και την ελαχιστοποίηση των αντιστάσεων, ώστε να επιλεγεί κατά το δυνατόν μικρότερος κυκλοφορητής για την ανακυκλοφορία του νερού της αποθήκης, μειώνοντας έτσι το κόστος κατασκευής και λειτουργίας. Υπολογίζεται επίσης η βέλτιστη θέση και διάμετρος των στομίων εισόδου και εξόδου του νερού ανακυκλοφορίας. Η θέση του εναλλάκτη θερμότητας για το νερό χρήσης είναι άλλο ένα ζήτημα που εξετάζεται στην παρούσα διατριβή. Επειδή το νερό αποθήκης δεν βρίσκεται σε ανακυκλοφορία όσο δεν υπάρχει ζήτηση για νερό χρήσης, πρέπει μόλις υπάρξει αυτή η ζήτηση να επιτευχθεί σύντομα μεγιστοποίηση της μέσης ταχύτητας του δοχείου, ώστε να υπάρχει σύντομα η μέγιστη δυνατή μεταφορά θερμότητας από το νερό του δοχείου στο νερό χρήσης. Εξετάζεται λοιπόν και ο χρόνος αποκατάστασης της ροής, ο χρόνος δηλαδή που απαιτείται μετα την έναρξη του κυκλοφορητή ώστε το ροϊκό πεδίο στο εσωτερικό του συλλέκτη να φτάσει σε σταθερή κατάσταση. Έχοντας διερευνήσει όλα τα παραπάνω ζητήματα, αναπτύσσεται στη συνέχεια ένα υπολογιστικό μοντέλο με επίλυση και των εξισώσεων ενέργειας, ώστε να υπολογίζεται η θερμανταλλαγή μεταξύ του νερού αποθήκης και του νερού χρήσης, με ή χωρίς ανακυκλοφορία, σε σταθερή και μεταβατική κατάσταση. Με τη βοήθεια του μοντέλου αυτού εξετάζεται η επίδραση της θερμοκρασίας του νερού της αποθήκης στην θερμοκρασία εξόδου του νερού χρήσης. Τα συμπεράσματα που εξάγονται, από την διερεύνηση των παραπάνω ζητημάτων, αποτελούν στοιχεία προς αξιοποίηση για την κατασκευή ενός επίπεδου I.C.S. που θα παρέχει την μέγιστη δυνατή θερμανταλλαγή, με μικρό κόστος. 1.2 Ηλιακά συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης Η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα επιτυγχάνεται μέσω των θερμικών ηλιακών συστημάτων τα οποία χρησιμοποιούν συλλέκτες και δεξαμενές 4

25 Εισαγωγικά στοιχεία αποθήκευσης συνήθως ως χωριστά υποσυστήματα, ενώ η μεταφορά της ενέργειας μέσω ενός θερμαινόμενου ρευστού (πχ νερό) πραγματοποιείται είτε με φυσική ροή είτε μέσω κυκλοφορητή Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες, μια δεξαμενή αποθήκευσης του ζεστού νερού, τις απαραίτητες σωληνώσεις και το σύστημα ελέγχου. Η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από το συλλέκτη και η συλλεγόμενη θερμότητα αντλείται, με φυσικό ή τεχνητό τρόπο στη δεξαμενή. Το παραγόμενο ζεστό νερό χρήσης από θερμικά ηλιακά συστήματα αποθηκεύεται σε ειδικές δεξαμενές προκειμένου στη συνέχεια να καταναλωθεί σε διάφορα σημεία (λουτρά, κουζίνες, πλυντήρια κτλ.) του κτιρίου στο οποίο βρίσκεται η εγκατάσταση. Το χαμηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας, σε συνάρτηση με τις κλιματολογικές συνθήκες της χώρας μας, συμβάλει στο να είναι εγκατεστημένα μέχρι και το 2002 στην Ελλάδα κάτι λιγότερο από m 2 ηλιακών συλλεκτών [50]. Άλλες Ευρωπαϊκές χώρες με εντυπωσιακή αύξηση των ηλιακών συλλεκτών τα τελευταία χρόνια, είναι η Γερμανία με m 2 και η Αυστρία με m 2. Εκτός ευρωπαϊκών συνόρων, οι μεγάλες αγορές είναι αυτές της Κίνας (η μεγαλύτερη στον κόσμο με 5,5 εκατ. τετραγωνικά μέτρα συλλεκτών το 2001), οι ΗΠΑ, η Τουρκία, η Αυστραλία, η Ινδία, η Ιαπωνία και βέβαια το Ισραήλ όπου η διείσδυση των ηλιακών συστημάτων στον οικιακό τομέα ξεπερνά το 80%. Οι κυριότερες κατηγορίες ηλιακών συστημάτων ζεστού νερού αναλύονται στην συνέχεια Κεντρικά ηλιακά συστήματα Χαρακτηριστικό των συστημάτων αυτών είναι ότι η δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας είναι μακριά από τον συλλέκτη και συνήθως σε χαμηλότερο σημείο από αυτόν. Έτσι για την μεταφορά της θερμότητας από τον συλλέκτη στην αποθήκη απαιτείται συνήθως ένας μικρός κυκλοφορητής. Το βασικό πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί στην κατασκευή και λειτουργία ενός συνήθους κεντρικού συστήματος θέρμανσης, είναι η διάβρωση του δοχείου αποθήκευσης (boiler) [1]. Λόγω της συνεχούς εναλλαγής του νερού χρήσης μέσα σε αυτό, της θερμοκρασίας του, της κακής ποιότητας των δικτύων ύδρευσης και της ποιότητας του νερού, είναι απαραίτητη η πολύ καλή προστασία του εσωτερικού του δοχείου αποθήκευσης, για 5

26 Κεφάλαιο 1 να είναι η διάρκεια ζωής του τέτοια που να καθιστά συμφέρουσα την αγορά του. Οι τεχνικές προστασίας είναι πολλές, όλες όμως έχουν σημαντική επίπτωση στο κόστος της δεξαμενής. Οι κυριότερες κατηγορίες είναι: Συστήματα «άμεσης θέρμανσης» Ως τέτοια χαρακτηρίζονται τα συστήματα όπου το υγρό που κυκλοφορεί στο συλλέκτη είναι το ίδιο το νερό χρήσης. Ένα τέτοιο σύστημα φαίνεται στην εικόνα 1.1. Το κρύο νερό του δικτύου εισάγεται στην δεξαμενή θερμότητας. Από σωλήνα που βρίσκεται στο κάτω μέρος της δεξαμενής, κρύο νερό οδηγείται στον συλλέκτη όπου θερμαίνεται και επιστρέφει στο πάνω μέρος της δεξαμενής όπου και αναμειγνύεται. Η παροχή του ζεστού νερού χρήσης εξάγεται με σωλήνα που βρίσκεται στο πάνω μέρος της δεξαμενής. Το πρόβλημα με τα συστήματα αυτού του Εικόνα 1.1 Σύστημα άμεσης θέρμανσης είδους είναι τα άλατα που υπάρχουν στο νερό χρήσης και δημιουργούν επικαθήσεις στο εσωτερικό του συλλέκτη, μειώνοντας έτσι την απόδοση του. Σοβαρό πρόβλημα αποτελεί επίσης και ο κίνδυνος διάρρηξης του συλλέκτη από τη δημιουργία πάγου. Τα συστήματα αυτά δεν συνηθίζονται πολύ Συστήματα «έμμεσης θέρμανσης» Ως τέτοια χαρακτηρίζονται τα συστήματα όπου το υγρό του συλλέκτη είναι διαφορετικό από το νερό χρήσης. Το υγρό του συλλέκτη αποτελείται από νερό με προσθήκη αντιψυκτικού. Επίσης επειδή το κύκλωμα είναι κλειστό τοποθετείται δοχείο διαστολής. Η κυκλοφορία του υγρού γίνεται και εδώ μέσω κυκλοφορητή. Η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ Εικόνα 1.2 Σύστημα έμμεσης θέρμανσης 6

27 Εισαγωγικά στοιχεία του νερού χρήσης της δεξαμενής και του υγρού του συλλέκτη επιτυγχάνεται μέσω εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος είτε εμβαπτίζεται μέσα στο δοχείο (υπό μορφή αυλών ή σερπαντίνας), είτε κατασκευάζεται γύρω από το δοχείο υπό μορφή μανδύα ώστε να περιβρέχει εξωτερικά το δοχείο σε μεγάλο μέρος της επιφάνειάς του [51],[52] Θερμοσιφωνικά συστήματα Τα πλέον διαδεδομένα ηλιακά θερμικά συστήματα παραγωγής ζεστού νερού χρήσης για οικιακή αλλά και βιομηχανική χρήση είναι τα λεγόμενα θερμοσιφωνικά συστήματα (ηλιακοί θερμοσίφωνες). Βρίσκονται εγκατεστημένα στις οροφές των περισσότερων κατοικιών και χρησιμοποιούνται για τη παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Αποτελούν τα πλέον ενδεικνυόμενα συστήματα για μεμονωμένες κατοικίες, σε αντίθεση με τα κεντρικά συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας που είναι καταλληλότερα για συγκροτήματα κατοικιών (πολυκατοικίες, κτλ.). Τα θερμοσιφωνικά συστήματα είναι από τις απλούστερες συσκευές εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας γιατί δεν έχουν κινητά μέρη, δε χρειάζονται κυκλοφορητές, ούτε συστήματα ελέγχου. Στη εικόνα 1.3 φαίνεται σχηματικά ένα απλό τυπικό θερμοσιφωνικό σύστημα. Η λειτουργία του στηρίζεται στην ανωστική δύναμη που δημιουργείται στο υγρό του συλλέκτη, λόγω διαφοράς πυκνότητας. Ο συλλέκτης, απορροφώντας ηλιακή ακτινοβολία, θερμαίνει το νερό που περιέχει. Έτσι γίνεται αραιότερο (ελαφρύτερο) από το υπόλοιπο νερό στο δοχείο αποθήκευσης, με αποτέλεσμα να κινηθεί προς το υψηλότερο σημείο του κυκλώματος, (στο άνω μέρος του δοχείου). Ταυτόχρονα, από το κάτω μέρος του δοχείου ρέει προς το συλλέκτη ψυχρότερο νερό και αναπληρώνει αυτό που διοχετεύθηκε στο δοχείο. Αυτό το ψυχρότερο νερό θερμαίνεται εκ νέου και έτσι δημιουργείται μια φυσική Εικόνα 1.3 Απλό θερμοσιφωνικό σύστημα συνεχής ροή νερού μεταξύ συλλέκτη και 7

28 Κεφάλαιο 1 δοχείου, που καλείται θερμοσιφωνική κυκλοφορία. Το συνολικό δε θερμικό κύκλωμα συλλέκτη - δοχείου καλείται θερμοσιφωνικό κύκλωμα. Η θερμοσιφωνική κυκλοφορία αρχίζει αφότου ο συλλέκτης θερμανθεί αρκετά, ώστε να δημιουργηθεί μια ικανοποιητική διαφορά πυκνότητας στο ρευστό, στην είσοδο και έξοδο του συλλέκτη. Αυτή η διαφορά πυκνότητας είναι συνάρτηση της διαφοράς θερμοκρασιών και έτσι η δημιουργούμενη ροή μάζας είναι συνάρτηση του θερμικού κέρδους που δημιουργεί τη διαφορά θερμοκρασιών. Κάτω απ αυτές τις συνθήκες, τα θερμοσιφωνικά συστήματα είναι αυτορυθμιζόμενα. Μεγάλο θερμικό κέρδος έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ροής και το αντίστροφο. Οι σωληνώσεις και το δοχείο θερμομονώνονται για το περιορισμό των θερμικών απωλειών, όπως επίσης θερμομονώνεται και η σωλήνωση της κατανάλωσης. Οι σωλήνες ή τα κανάλια κυκλοφορίας (ανάλογα με τη κατασκευή) του συλλέκτη, αν δεν κατασκευάζονται από υλικό με μικρή τραχύτητα (π.χ. χαλκό), έχουν συνήθως αρκετά μεγάλη διάμετρο για να μειώνεται η πτώση πίεσης και να διευκολύνεται η φυσική θερμοσιφωνική κυκλοφορία. Για την αποδοτική λειτουργία των θερμοσιφωνικών συστημάτων, πρέπει να υπάρχει μια αναγκαία υψομετρική διαφορά μεταξύ της εξόδου από το συλλέκτη και της εξόδου από το δοχείο αποθήκευσης. Γενικά μια υψομετρική διαφορά περίπου cm θεωρείται ικανοποιητική. Στο δοχείο αποθήκευσης τοποθετείται συνήθως και μια βοηθητική ηλεκτρική αντίσταση για να ανεβάζει τη θερμοκρασία του νερού στα επιθυμητά επίπεδα, όταν οι συνθήκες ηλιασμού δεν επαρκούν γι αυτό. Αποφεύγεται έτσι η αγορά και χρήση ενός επιπλέον ηλεκτρικού θερμοσίφωνα. Η αντίσταση στα μεν κατακόρυφα δοχεία τοποθετείται περίπου στα μισά του ύψους τους, για να αποφεύγεται άσκοπη θέρμανση όλης της ποσότητας του νερού (το νερό κάτω από την αντίσταση θερμαίνεται πολύ αργά μόνο με αγωγή), ενώ στα οριζόντια τοποθετείται όπως στους ηλεκτρικούς θερμοσίφωνες. Σε εγκαταστάσεις δε που είναι διαθέσιμη και κάποια άλλη πηγή θερμότητας, όπως ένας καυστήρας πετρελαίου, τοποθετείται ένας ακόμη εναλλάκτης θερμότητας (συνήθως τύπου σερπαντίνας) στο δοχείο και έτσι η τυχόν απαιτούμενη επιπρόσθετη άνοδος της θερμοκρασίας επιτυγχάνεται οικονομικότερα. Τα θερμοσιφωνικά συστήματα όπως και τα κεντρικά συστήματα κατατάσσονται σε συστήματα α) άμεσης θέρμανσης και β) έμμεσης θέρμανσης όπως φαίνεται και στην εικόνα

29 Εισαγωγικά στοιχεία (α) (β) Εικόνα 1.4 Θερμοσιφωνικό σύστημα α) άμεσης θέρμανσης και β) έμμεσης θέρμανσης Το δοχείο τοποθετείται ή κατακόρυφα, οπότε επιτυγχάνεται καλύτερη στρωμάτωση θερμοκρασίας στο αποθηκευμένο νερό, ή οριζόντια (παράλληλα στο συλλέκτη), και έτσι επιτυγχάνεται καλύτερο αισθητικό αποτέλεσμα Ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη αποθήκης παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (ICSSWH) Στα ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα συλλέκτη αποθήκης (Integrated Collector Storage Solar Water Heater) ή ICSSWH, η συλλεκτική επιφάνεια αποτελεί τμήμα της δεξαμενής αποθήκευσης, μειώνοντας έτσι τον απαιτούμενο χώρο και το δαπανώμενο κόστος. Η μορφή που έχει η συλλεκτική επιφάνεια - δεξαμενή μπορεί να είναι επίπεδη ή κυλινδρική. Επίσης τα ICSSWH μπορεί να είναι όπως και οι προηγούμενες κατηγορίες άμεσης ή έμμεσης θέρμανσης. Τα συστήματα άμεσης θέρμανσης απαντώνται σε μεγαλύτερο εύρος. Η αρχή λειτουργίας ενός ICSSWH έχει ως εξής: η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται από το πάνω μέρος μέσω του γυάλινου καλύμματος, μέρος της οποίας ανακλάται και απορροφάται από το ίδιο το τζάμι. Η υπόλοιπη ακτινοβολία απορροφάται από την συλλεκτική επιφάνεια, η οποία βρίσκεται στην ορατή πλευρά του συλλέκτη και θερμαίνεται. Η θερμότητα μεταφέρεται στη συνέχεια στο υγρό της δεξαμενής. Σε αυτό το σημείο έχουμε ένα διαχωρισμό ανάλογα με το αν το σύστημα μας είναι άμεσης ή έμμεσης θέρμανσης. Στην περίπτωση της άμεσης θέρμανσης, το θερμό νερό που βρίσκεται στην δεξαμενή, είναι το νερό χρήσης και οδηγείται άμεσα για κατανάλωση μέσω των απαραίτητων σωληνώσεων. Στην περίπτωση έμμεσης θέρμανσης υπάρχει ένας εναλλάκτης θερμότητας στο εσωτερικό της δεξαμενής. Το 9

30 Κεφάλαιο 1 θερμό υγρό της δεξαμενής θερμαίνει το νερό χρήσης το οποίο περνάει μέσα από τους σωλήνες του εναλλάκτη και στη συνέχεια μεταφέρεται μέσω σωληνώσεων για κατανάλωση. Στα συστήματα ICSSWH έμμεσης θέρμανσης που έχουν επινοηθεί από διάφορους ερευνητές δεν υπάρχει κάποιος μηχανισμός εντατικοποίησης μετάδοσης θερμότητας μεταξύ των δύο κυκλωμάτων του εναλλάκτη. Η αύξηση της θερμανταλλαγής από το πρωτεύον στο δευτερεύον κύκλωμα μπορεί να γίνει με εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία του νερού δεξαμενής μέσω ενός κυκλοφορητή. Αυτή η περίπτωση εξετάζεται στα πλαίσια της διατριβής αυτής. Το μεγάλο μειονέκτημα των ICSSWH είναι οι απώλειες προς το περιβάλλον από το πάνω μέρος της δεξαμενής που αποτελεί την συλλεκτική επιφάνεια και έτσι δεν μπορεί να θερμομονωθεί. Το πρόβλημα αυτό μπορεί εν μέρει να αντιμετωπιστεί με χρήση «διαφανούς μόνωσης» και επιλεκτικής βαφής. Για αυτό το λόγο τα συστήματα αυτά βρίσκουν καλύτερη εφαρμογή σε περιοχές με θερμό κλίμα, έντονη ηλιοφάνεια και σε χώρους που η μεγαλύτερη κατανάλωση γίνεται κατά τους θερινούς μήνες. Τα συστήματα αυτά μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες ενός νοικοκυριού που κυμαίνονται στα λίτρα ζεστού νερού ημερησίως. Είναι οικονομικά συμφέρουσες συσκευές, απλές στην κατασκευή, εγκατάσταση και χρήση και επιπλέον έχουν μικρό χρόνο αποπληρωμής. Στην εικόνα 1.5 φαίνονται οι τύποι ICSSWH που έχουν επινοηθεί από διάφορους ερευνητές ανά τον κόσμο. Οι τύποι αυτοί εξετάζονται αναλυτικότερα στην παράγραφο 1.4 «Ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας». 10

31 Εισαγωγικά στοιχεία (α) Μοντέλο «Copperheart» της Sunearth Inc. (β) Επίπεδο ICSSWH με βοηθητική δεξαμενή (γ) To πρώτο Ιαπωνικό εμπορικό ICSSWH (δ) Tripanagnostopoulos [15] (Yamamoto 1947) (ε) Smyth [19] (στ) Schmidt [26] (ζ) Smyth [2] (η) Faiman [24] Εικόνα 1.5 Διάφοροι τύποι ICSSWH 11

32 Κεφάλαιο 1 (θ) Sopian [14] (ι) Mohamad [22] (ια) Davidson [33]-[37] (ιβ) Πνευματικάκης [10] (ιγ) Kaushika [27] (ιδ) Shridar [30] Εικόνα 1.5 (συνέχεια) Διάφοροι τύποι ICSSWH 12

33 Εισαγωγικά στοιχεία 1.3 Ολοκληρωμένο σύστημα επίπεδου συλλέκτη αποθήκης με αποθήκευση στο πρωτεύον κύκλωμα και εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία. Το ICSSWH που εξετάζεται στα πλαίσια της διατριβής αυτής έχει σαν στόχο την μείωση του κόστους με παράλληλη αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος. Αποτελεί σύστημα επίπεδου συλλέκτη αποθήκης στο οποίο το νερό χρήσης θερμαίνεται έμμεσα, διαμέσου ενός οφιοειδούς εναλλάκτη που τοποθετείται στο εσωτερικό της δεξαμενής. Έτσι, η δεξαμενή δρα αποκλειστικά ως αποταμιευτής θερμότητας χωρίς να ανανεώνεται το νερό της. Με τον τρόπο αυτό εξαλείφεται η διάβρωση της. Επίσης, η δεξαμενή δεν συνδέεται στο δίκτυο ύδρευσης και άρα δεν υπόκειται σε υψηλές πιέσεις. Έτσι οι κατασκευαστικές απαιτήσεις της δεξαμενής είναι μειωμένες. Σε συμβατικά συστήματα συλλέκτη αποθήκης το 60% του κόστους κατασκευής αφορά τη δεξαμενή. Το μειονέκτημα της έμμεσης θέρμανσης είναι η μειωμένη μεταφορά θερμότητας από το αποθηκευμένο νερό στο νερό χρήσης, οδηγώντας σε θερμοκρασίες ζεστού νερού αισθητά μικρότερες από της δεξαμενής. Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ των δύο κυκλωμάτων πρέπει επομένως να εντατικοποιηθεί με μηχανισμούς ανάδευσης. Έτσι, τοποθετείται ένας κυκλοφορητής που αναδεύει το νερό της δεξαμενής μέσω ανακυκλοφορίας του, κάθε φορά που υπάρχει ζήτηση νερού χρήσης. Αυτό που επιτυγχάνεται είναι η αύξηση του ολικού συντελεστή μεταφοράς Εικόνα 1.6 Σχηματική απεικόνιση ICSSWH με έμμεση θέρμανση και ανακυκλοφορία θερμότητας, που οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου. Στόχος είναι η θερμοκρασία εξόδου του νερού χρήσης να πλησιάσει κατά το δυνατόν την θερμοκρασία της δεξαμενής. Το επιπλέον κόστος των σωληνώσεων του εναλλάκτη 13

34 Κεφάλαιο 1 και του κυκλοφορητή υπερκαλύπτεται από τις μειωμένες απαιτήσεις για διάβρωση και αντοχή σε πίεση της δεξαμενής. Ετσι η δεξαμενή μπορεί να κατασκευαστεί από λεπτά μεταλλικά ελάσματα πάχους 0.8 έως 1.2 mm χωρίς προστασία από διάβρωση. Όμως λόγω του μειωμένου πάχους των τοιχωμάτων, είναι απαραίτητο οι δύο κύριες επιφάνειες της δεξαμενής (εμπρός και πίσω) να αντέχουν τις πιέσεις από το βάρος του νερού της δεξαμενής. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί συγκολλώντας με ηλεκτροπόντα πτερύγια συγκράτησης που να ενώνουν την εμπρός και πίσω επιφάνεια της δεξαμενής σε κατάλληλα σημεία. Εφόσον η εμπρός επιφάνεια εκτίθεται στην ηλιακή ακτινοβολία η παρουσία των πτερυγίων βοηθά στην αύξηση της μεταφοράς θερμότητας, αν και όχι σημαντικά λόγω της μικρής έκτασης τους. Ένα ακόμη πρόβλημα προς αντιμετώπιση είναι η δημιουργία επικαθίσεων αλάτων ιδιαίτερα στα καμπύλα τμήματα της εσωτερικής επιφάνειας των σωληνώσεων του εναλλάκτη. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί εύκολα με κατάλληλες διατάξεις (ηλεκτρομαγνητικές). Επίσης σε αραιά διαστήματα μπορεί να πραγματοποιείται και καθαρισμός με χρήση κάποιας χημικής ουσίας. Στην εικόνα 1.6 απεικονίζεται σχηματικά η διάταξη του Εικόνα 1.7 Επίπεδο ICSSWH σε λειτουργία εξεταζόμενου ICSSWH. Αποτελείται από την δεξαμενή αποθήκη (1) επίπεδου συλλέκτη και εναλλάκτη θερμότη τας (2) σε επαφή μ ε τα δύο κύρια τοιχώματα της. Πτερύγια συγκράτησης (7) έχουν τοποθετηθεί στο εσωτερικό της δεξαμενής, ενώνοντας τις δύο κύριες επιφάνειες της. Το ροϊκό πεδίο του ανακυκλοφορούμενου νερού της δεξαμενής επηρεάζεται πάρα πολύ από την θέση και το μέγεθος των πτερυγίων καθώς και των στομίων ανακυκλοφορίας. Οι παράγοντες αυτοί είναι προς διερεύνηση. Στην εικόνα 1.6 φαίνεται επίσης ο κυκλοφορητής (3), οι θέσεις των αισθητήρων ροής (4), η είσοδος (5) και έξοδος (6) του νερού χρήσης. Η χωρητικότητα της 14

35 Εισαγωγικά στοιχεία δεξαμενής σε νερό είναι περίπου 0,11 m 3. Η είσοδος του νερού ανακυκλοφορίας τοποθετείται πάνω δεξιά και η έξοδος κάτω αριστερά. Έχει γίνει επιλογή της θέσης αυτής έπειτα από σχετική διερεύνηση όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο 6. Η εικόνα 1.7 παρουσιάζει μια φωτογραφία του συστήματος ICSSWH που περιγράφεται στην παρούσα παράγραφο, σε λειτουργία κατά την διαδικασία λήψεως μετρήσεων. 1.4 Ανασκόπηση Βιβλιογραφίας Η μελέτη ολοκληρωμένων συστημάτων ηλιακού συλλέκτη αποθήκης είναι σχετικά περιορισμένη στην διεθνή βιβλιογραφία. Οι εργασίες γύρω από ηλιακά συστήματα και ICSSWH που υπάρχουν πραγματεύονται κυρίως σύνθετους παραβολικούς συλλέκτες ή θερμικές αποθήκες κυλινδρικού σχήματος και σχετικά λίγες αναφέρονται σε επίπεδα ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη αποθήκης. Οι περισσότερες εργασίες προσεγγίζουν μακροσκοπικά αυτά τα συστήματα, δηλαδή πραγματεύονται περισσότερο την ολική ενεργειακή συμπεριφορά του συλλέκτη, εξετάζοντας π.χ. την θερμοκρασία εξόδου του νερού χρήσης ή τον μέσο συντελεστή μετάδοσης θερμότητας. Υπάρχει σχετικά περιορισμένος αριθμός εργασιών για την ενεργειακή συμπεριφορά του συλλέκτη, ενώ ο αριθμός των εργασιών που εξετάζει το ροϊκό πεδίο στο εσωτερικό ενός συλλέκτη είναι σχεδόν ανύπαρκτος. Έτσι, όσον αφορά στην ροϊκή συμπεριφορά στο εσωτερικό του συλλέκτη γίνεται ανασκόπηση εργασιών που αναφέρονται σε ροές μέσα σε έγκλειστους χώρους (enclosures), σε κοιλότητες (cavities), σε κανάλια (channel flow) και σε παραλληλεπίπεδα. Οι περισσότερες από τις εργασίες αναφέρονται σε ροή αέρα, δίνουν όμως μια εικόνα για την ροϊκή συμπεριφορά στο εσωτερικό τέτοιων όγκων και στον τρόπο που αντιμετωπίζονται τέτοια προβλήματα. Η ανασκόπηση των εργασιών που ακολουθεί χωρίζεται σε τρεις μεγάλες ομάδες. Πρώτον, εργασίες που αφορούν τύπους ηλιακών συλλεκτών και ολοκληρωμένων ηλιακών συστημάτων συλλέκτη αποθήκης, η αποθηκών νερού χρήσης. Σ αυτές γίνεται ενεργειακός υπολογισμός των μεγεθών ενός συλλέκτη είτε με αναλυτική μέθοδο, είτε με χρήση πειραματικών δεδομένων, είτε με χρήση προγραμμάτων υπολογιστική ς ρευστομηχανικής (CFD). Σε λίγες από αυτές υπάρχει διερεύνηση του ροϊκού πεδίου σε συλλέκτες αποθήκες ή δεξαμενές. 15

36 Κεφάλαιο 1 Δεύτερον, εργασίες για ροές σε κοιλότητες, σε έγκλειστους χώρους, και σε ροή σε κανάλια. Σε αυτές η εκτίμηση των ροϊκών πεδίων γίνεται είτε με πειραματικές μεθόδους, οπότε και περιγράφονται οι μέθοδοι μέτρησης των ροών, είτε με αναλυτικές λύσεις, είτε γίνεται αριθμητική επίλυση. Η κατηγορία αυτή των εργασιών έχει μικρότερο ενδιαφέρον, γιατί τα στοιχεία που αντλούνται από αυτές δεν είναι εύκολο να εφαρμοστούν στην μελέτη των φαινόμενων της παρούσας διατριβής. Τέλος επειδή στην παρούσα διατριβή εξετάζονται διάφορα μοντέλα τύρβης, παρουσιάζονται εργασίες που αφορούν τα μοντέλα τύρβης που έχουν αναπτυχθεί με έμφαση σε αυτά που θα χρησιμοποιηθούν στην παρούσα διατριβή στο κεφάλαιο 6. Μια αναφορά στις κατηγορίες και τους τύπους συλλεκτών που υπάρχουν, η θερμική ανάλυση τους, καθώς και οι κατηγορίες εφαρμογών με ηλιακούς συλλέκτες γίνεται από τον A. Kalogirou [1]. Από τον Smyth [2] γίνεται μια ανασκόπηση των ICSSWH που έχουν αναπτυχθεί από διάφορους ερευνητές μέχρι σήμερα όπως απεικονίζονται στην εικόνα.1.5. Στα ICSSWH που παρουσιάζονται ενσωματώνονται μέθοδοι για μεγιστοποίηση της απορροφούμενης ηλιακής ενέργειας, νέες τεχνικές στη σχεδίαση των αποθηκών και στις μεθόδους της μόνωσης τους. Τμήματα της διατριβής αυτής έχουν παρουσιαστεί σε συνέδρια ή έχουν δημοσιευθεί σε περιοδικά. Συγκεκριμένα: Υπολογιστικός προσδιορισμός του ροϊκού πεδίου της δεξαμενής χωρίς πτερύγια και εναλλάκτη, σε τριδιάστατη και διδιάστατη ροή, με τη χρήση του προγράμματος FLUENT δίνεται από τους Κ. Π. Γκέρτζο κ.α. [3]. Η εργασία αυτή ήταν η πρώτη προσέγγιση του προς εξέταση θέματος και τα συμπεράσματα της βοήθησαν στην κατασκευή ενός σωστού πειραματικού μοντέλου για την πραγματοποίηση των μετρήσεων ταχυτήτων. Υπολογιστικός προσδιορισμός της βέλτιστης θέσης και της βέλτιστης διατομής των στομίων εισόδου και εξόδου ανακυκλοφορίας του νερού της δεξαμενής, καθώς και προσδιορισμός της βέλτιστης θέσης των πτερυγίων συγκράτησης των δύο μεγάλων επιφανειών του ICSSWH (Integrated Collector Storage Solar Water Heater) (χωρίς εναλλάκτη), γίνεται από τους Κ. Π. Γκέρτζο κ.α.[4]. Πειραματικός προσδιορισμός των ταχυτήτων, του προφίλ και των διακυμάνσεων τους, του κέντρου περιστροφικής κίνησης, του χρόνου αποκατάστασης ισορροπίας ροής, της επίδρασης τοιχωμάτων στην μέση ταχύτητα δεξαμενής ενός επίπεδου ICSSWH κατασκευασμένου από Plexiglas με χρήση της μεθόδου LDV, 16

37 Εισαγωγικά στοιχεία δίνετα ι από τους Κ. Π. Γκέρτζο κ.α. [5]. Τα αποτελέσματα βοήθησαν πολύ στην κατασκευή και πιστοποίηση υπολογιστικού μοντέλου CFD [6] και επιλογή του κατάλληλου για την περίπτωση αυτή μοντέλου τύρβης (k-ω). Μία συνήθης μορφή εναλλάκτη με επαφή στα εσωτερικά τοιχώματα του δοχείου εξετάζεται σε μόνιμη και μεταβατική κατάσταση. Αριθμητική βελτιστοποίηση της διάταξης στο εσωτερικό δεξαμενής χωρίς εναλλάκτη και πειραματική επιβεβαίωση δίνεται από τους Γκέρτζο κ.α. [7] ενώ στην [8] συμπεριλαμβάνεται εναλλάκτης θερμότητας και εξετάζεται το ροϊκό πεδίο σε μεταβατική κατάσταση. Επίσης εξετάζεται η επίδραση της ανακυκλοφορίας στην αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου του νερού χρήσης. Πειραματικός προσδιορισμός των θερμοκρασιών εξόδου του νερού χρήσης καθώς και του μέσου συντελεστή μετάδοσης θερμότητας του εναλλάκτη, με ή χωρίς εξαναγκασμένη κυκλοφορία του ρευστού αποθήκευσης, με βάση τη μέση θερμοκρασία δεξαμενής δίνεται από τους Πνευματικάκη κ.α. [9]. Τα πειραματικά αυτά αποτελέσματα σε συνδυασμό με τα υπολογιστικά αποτελέσματα του κεφαλαίου 6, οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι μεγιστοποίηση θερμανταλλαγής υπάρχει όταν μεγιστοποιείται η μέση ταχύτητα του νερού της δεξαμενής. Πειραματική μελέτη ενός επίπεδου ICSSWH με χρήση κυψελωτής διαφανούς μόνωσης (TIM) σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ 879 δίνεται από τους Πνευματικάκη κ.α. [10]. Εξάγονται διαγράμματα εισόδου εξόδου, διαγράμματα απομάστευσης και υπολογίζεται ο συντελεστής θερμικών απωλειών. Η πιστοποίηση του CFD μοντέλου με πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιών παρουσιάζεται από τους Γκέρτζο κ.α [11], [12]. Στην εργασία αυτή εξάγεται το συμπέρασμα ότι η απουσία των πτερυγίων συγκράτησης που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του πειραματικού μοντέλου, η θέση των οποίων κρίνεται εσφαλμένη, θα αύξανε την μέση ταχύτητα του νερού της δεξαμενής κατά 50%. Στην εργασία [13] παρουσιάζεται βελτιστοποίηση της διάταξης στο εσωτερικό της δεξαμενής (θέση και μέγεθος πτερυγίων συγκράτησης, στομίων εισόδου εξόδου και επίδραση τραχύτητας τοιχώματος στο ροϊκό πεδίο). Πολύ ερευνητές παγκοσμίως έχουν αναπτύξει και ερευνήσει διάφορα συστήματα ICSSWH. Συγκεκριμένα: Οι K. Sopian κ.α. [14] δίνουν πειραματικά αποτελέσματα ενός ICSSWH (Εικ. 1.5.θ) κατασκευασμένο εξολοκλήρου από μη μεταλλικά υλικά (Πολυεστέρας ενισχυμένος με fiberglass GFRP) όπου η συλλεκτική επιφάνεια είναι πάνω από την 17

38 Κεφάλαιο 1 δεξαμενή και επικοινωνεί με 4 σωλήνες. Το νερό χρήσης είναι τι ίδιο το νερό της δεξαμενής. Οι μετρήσεις θερμοκρασιών δεξαμενής διεξήχθησαν στη Μαλαισία. Μια περίπτωση ICSSWH με μία ή δύο κυλινδρικές αποθήκες, σε συνδυασμό με καμπύλους ανακλαστήρες δίνεται από τους Y. Tripanagnostopoulos κ.α. (Εικόνα 1.5.δ) [15]. Δίνονται πειραματικά αποτελέσματα θερμοκρασιακών κατανομών στο εσωτερικό της αποθήκης για περίοδο τριών ημερών. Πειραματικός προσδιορισμός της θερμικής απόδοσης συλλέκτη με χρήση κυψελωτής διαφανούς μόνωσης(tim) και με διάκενο μεταξύ γυάλινου καλύμματος- TIM και TIM-απορροφητικής επιφάνειας, με στόχο τη μείωση των θερμικών απωλειών προς το περιβάλλον δίνεται από τον A.A. Ghoneim[16] για τις κλιματολογικές συνθήκες του Κουβέιτ. Ο υπολογισμός διδιάστατης ροής θερμότητας με αγωγιμότητα και χρήση πεπερασμένων διαφορών ενός ICSSWH, που αποτελείται από δίκτυο σωληνώσεων ενσωματωμένο σε τσιμεντένια πλάκα με μαύρη άνω επιφάνεια, διαφανή μόνωση, γυάλινο κάλυμμα και είναι μονωμένη από το έδαφος, δίνεται από τους K. S. Reddy κ.α. [17]. Μια πρόβλεψη της απόδοσης ενός επίπεδου ICSSWH ανοιχτού βρόγχου, δίνεται από τους H.P. Garg κ.α. [18].με τη μορφή νομογράματος τριών αδιάστατων αριθμών. Το νερό χρήσης βρίσκεται μέσα σε δεξαμενή που καλύπτεται από απορροφητική επιφάνεια και γυαλί. Ετήσια απόδοση ενός ICSSWH με καινοτόμο σχεδίαση του δοχείου (Εικ. 1.5.ε) παρουσιάζεται από τους Smyth κ.α. [19].ενώ πειραματικός προσδιορισμός της απόδοσης του σε σχέση με ένα κλασικό ICSSWH δίνεται στην εργασία [20]. Πειραματική αποτίμηση θερμοσιφωνικού συστήματος με εναλλάκτη γίνεται από τους Webster κ.α [21]. Ένα ICSSWH με θερμική δίοδο (Εικ. 1.5.ι) παρουσιάζεται από τον Mohamad [22]. Η θερμική απόδοση ΙCSSWH με διάφορα είδη διαφανούς μόνωσης εξετάζεται από τον Prakash [23]. Επίσης μείωση των θερμικών απωλειών κατά την διάρκεια της νύχτας σε ICSSWH, επιτυγχάνεται με τη χρήση μονωτικής πλάκας μεταξύ της απορροφητικής πλάκας και αποθήκης που είναι ημικυλινδρική (Εικ. 1.5.η) από τους Faiman κ.α. [24]. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής οι νυχτερινές απώλειες περιορίζονται και επιτυγχάνονται θερμοκρασίες νερού χρήσης της δεξαμενής κατά 18

39 Εισαγωγικά στοιχεία 15ºC υψηλότερες. Δίνονται πειραματικά δεδομένα και μια αναλυτική μέθοδος. Ο Faiman επίσης [25] παρουσιάζει μια μέθοδο για τον υπολογισμό της απόδοσης συσκευών ICSSWH. Σύγκριση ενός κλασικού ICSSWH με ένα που περιέχει πολλά κυλινδρικά δοχεία (Εικ. 1.5.στ) γίνεται από τους Schmidt κ.α [26]. Υπολογιστική και πειραματική μελέτη της επίδρασης του πάχους διαφανούς μόνωσης σε κυβοειδή ICSSWH (Εικ. 1.5.ιγ) εξετάζεται από τους Kaushika κ.α [27]. Οι Fasulo κ.α [28] δίνουν συγκριτικά πειραματικά στοιχεία για την απόδοση ενός ICSSWH και ενός κοινού θερμοσιφωνικού συστήματος. Οι Rabin κ.α [29] παρουσιάζουν ένα ICSSWH με εμβαπτιζόμενο εναλλάκτη θερμότητας. Το υλικό της αποθήκης θερμότητας αλλάζει φάση με στόχο την επίτευξη μεγαλύτερης αποθήκευσης. Οι Shridar κ.α. [30] παρουσιάζουν έναν καινοτόμο ICSSWH με τροποποιημένη κυβοειδή μορφή (Εικ. 1.5.ιδ) όπου υπάρχει διαφανής μόνωση (TIM) στο πάνω μέρος. Η ανάλυση γίνεται πειραματικά και υπολογιστικά με τη βοήθεια του FLUENT. Οι Yadav κ.α. [31] παρουσιάζουν αριθμητική ανάλυση ICSSWH με εμβαπτιζόμενο εναλλάκτη θερμότητας όπου η αποθήκη του νερού βρίσκεται μέσα στο έδαφος. Οι Boies κ.α [32] παρουσιάζουν δύο αναλυτικά μοντέλα για την πρόβλεψη θερμοκρασιών εξόδου του νερού χρήσης σε ICSSWH με εμβαπτιζόμενο εναλλάκτη. Το ένα μοντέλο θεωρεί σταθερό τον ολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και το δεύτερο χρονικά μεταβαλλόμενο. Οι Davidson κ.α [33], [34], [35], [36], [37] παρουσιάζουν ένα ICSSWH με εμβαπτιζόμενο εναλλάκτη, που αποτελείται από δέσμη λεπτών σωλήνων (Εικ. 1.5.ια). Η αποθήκη θερμότητας χωρίζεται σε δύο ίσα κατακόρυφα τμήματα, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης του ICSSWH. Ο μηχανισμός φυσικής ροής εξετάζεται για έναν σωλήνα εμβαπτιζόμενο σε αποθήκη θερμότητας από τους Su κ.α [38]. Η αναλυτική εξέταση βασίζεται και σε πειραματικά αποτελέσματα. Τέλος γίνεται υπολογιστική επίλυση με τη χρήση του FLUENT. Ένα ICSSWH με εμβαπτιζόμενο εναλλάκτη σε αποθήκη με πορώδες υλικό παρουσιάζεται τέλος από τους Su κ.α [39]. Σύγκριση της απόδοσης δύο συστημάτων, ενός με μία θερμική αποθήκη και ενός άλλου με πολλές στη σειρά με σκοπό την αύξηση της απόδοσης του, παρουσιάζεται από τους Mather κ.α. [40]. 19