ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΑΠΟΘΗΚΗΣ (I.C.S) ΜΕ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ Κ. Π. Γκέρτζος, Ι. Γ. Καούρης, Σ. Πνευματικάκης Τμήμα Μηχανολόγων & Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, T.K. 26500 Πάτρα, e-mail: caouris@helios.mech.upatras.gr, ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση της διάταξης στο εσωτερικό ενός ολοκληρωμένου συστήματος επίπεδου ηλιακού συλλέκτη αποθήκης θερμότητας (I.C.S.) με εξαναγκασμένη ανακυκλοφορία του νερού της αποθήκης και έμμεση θέρμανση του νερού χρήσης. Η βελτιστοποίηση γίνεται υπολογιστικά με τη βοήθεια μοντέλου προσομοίωσης σε λογισμικό CFD (Fluent). Το μοντέλο επαληθεύεται με δεδομένα από πειραματική διάταξη Laser Doppler διπλής δέσμης, μέσω της οποίας μετρήθηκαν οι ταχύτητες στο εσωτερικό της αποθήκης και επιλέγεται το κατάλληλο μοντέλο τύρβης που περιγράφει σωστότερα το ροϊκό πεδίο. Για την οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου χρησιμοποιήθηκε δεύτερη πειραματική διάταξη. H βελτιστοποίηση της διάταξης (μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής μεταξύ των δύο κυκλωμάτων νερού) επιτυγχάνεται με την μεγιστοποίηση της μέσης σταθμισμένης ταχύτητας του νερού της αποθήκης. Συγκεκριμένα, βρίσκεται η βέλτιστη θέση και μέγεθος των στομίων ανακυκλοφορίας και των πτερυγίων συγκράτησης των δύο μεγάλων επιφανειών του συλλέκτη-αποθήκη. Εξετάζεται επίσης η επίδραση της τραχύτητας των τοιχωμάτων της αποθήκης στη μέση ταχύτητα του νερού ανακυκλοφορίας. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα πιο γνωστά ηλιακά συστήματα για την παραγωγή ζεστού νερού είναι τα λεγόμενα θερμοσιφωνικά συστήματα (ηλιακοί θερμοσίφωνες). Τα συστήματα αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα «ανοιχτού κυκλώματος», στα οποία το νερό του συλλέκτη είναι το ίδιο το νερό χρήσης και τα «κλειστού κυκλώματος» στα οποία το υγρό του συλλέκτη είναι διαφορετικό από το υγρό της αποθήκης θερμότητας και η μετάδοση θερμότητας γίνεται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας, που βρίσκεται είτε στο εσωτερικό της αποθήκης (έχοντας την μορφή αυλών ή σερπαντίνας) ή τοποθετείται γύρω από την αποθήκη με τη μορφή «μανδύα». Τα συνηθέστερα ολοκληρωμένα συστήματα συλλέκτη-αποθήκης (Integrated Collector Storage, ICS) που στο εξής θα καλούνται ICS, είναι τα ανοιχτού κυκλώματος όπου η συλλεκτική επιφάνεια είναι τμήμα της αποθήκης θερμότητας. Τα συστήματα αυτά έχουν μειωμένο κόστος λόγω της ενσωμάτωσης του συλλέκτη στην αποθήκη. Επιπλέον, δημιουργούν μικρότερη αισθητική όχληση. Πέρα από αυτά τα πλεονεκτήματα, παρουσιάζουν και ορισμένα μειονεκτήματα. Η δεξαμενή θερμότητας πρέπει να κατασκευαστεί έτσι ώστε να παρουσιάζει αφενός μεγάλη αντίσταση στην διάβρωση και αφετέρου αντοχή σε υψηλές πιέσεις (μιας και το νερό της αποθήκης είναι το νερό χρήσης και η πίεση του δικτύου μπορεί να ξεπεράσει σε πολλές περιοχές τις 10 at). Το υπό εξέταση ολοκληρωμένο σύστημα συλλέκτη-αποθήκης, θερμαίνει έμμεσα το νερό χρήσης, μειώνοντας έτσι τις υψηλές απαιτήσεις προστασίας από διάβρωση και αντοχής στην πίεση. Αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση οφιοειδούς εναλλάκτη θερμότητας υπό μορφή σωληνώσεων, στο εσωτερικό της αποθήκης. Το νερό χρήσης διέρχεται από το εσωτερικό των
σωληνώσεων, ενώ παράλληλα εντατικοποιείται εξωτερικά η μετάδοση θερμότητας από το νερό του δοχείου προς τις σωληνώσεις, με ανακυκλοφορία του νερού της αποθήκης. Έτσι, το νερό της αποθήκης δεν ανανεώνεται και άρα εξαλείφεται ο κίνδυνος διάβρωσης (όπως συμβαίνει και στα οικιακά σώματα θέρμανσης). Επιπλέον, η αποθήκη δεν συνδέεται στο δίκτυο και δεν υπόκειται έτσι σε υψηλές πιέσεις. Η εικόνα 1 δείχνει τη σχηματική διάταξη του ολοκληρωμένου συστήματος συλλέκτη αποθήκης. Ο εναλλάκτης θερμότητας (2) αποτελείται από σωληνώσεις σε επαφή στο εσωτερικό των τοιχωμάτων της παραλληλεπίπεδης αποθήκης (1). Ο κυκλοφορητής (3) λειτουργεί μόνο όταν υπάρχει ζήτηση νερού, μέσω κατάλληλων αισθητήρων (5) π.χ. πρεσσοστατικούς διακόπτες που τοποθετούνται στην είσοδο (6) ή στην έξοδο (7). Οι δύο μεγάλες πλάκες της αποθήκης συγκρατούνται μεταξύ τους σε παράλληλη θέση με τη βοήθεια πτερυγίων συγκράτησης. Το μέγεθος και η θέση των πτερυγίων αυτών είναι υπό διερεύνηση. Για την βελτιστοποίηση της διάταξης στο εσωτερικό της αποθήκης χρησιμοποιείται μοντέλο προσομοίωσης CFD (Computational Fluid Dynamics), με το εμπορικό πρόγραμμα Fluent για την επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes και ενέργειας. Εικόνα 1.Ολοκληρωμένο Σύστημα επίπεδου Συλλέκτη αποθήκης Εικόνα 2. Πειραματική διάταξη από Plexiglas Στην εργασία αυτή λαμβάνονται μετρήσεις ταχυτήτων και διακυμάνσεων στο εσωτερικό μιας αποθήκης κατασκευασμένης από Plexiglas με χρήση ενός συστήματος LDV (Laser Doppler Velocimetry). Τα πειραματικά δεδομένα συγκρίνονται με το υπολογιστικό μοντέλο και επιλέγεται το κατάλληλο μοντέλο τύρβης. Κατόπιν διερευνάται η βελτιστοποίηση των παρακάτω παραμέτρων: Θέση - μέγεθος των στομίων εισόδου εξόδου και θέση - μέγεθος των πτερυγίων συγκράτησης των δύο μεγάλων επιφανειών της αποθήκης. Επίσης εξετάζεται η επίδραση της τραχύτητας των τοιχωμάτων, λόγω των επικαθήσεων, στο ροϊκό πεδίο. Για την οπτικοποίηση των ροϊκών τροχιών στο εσωτερικό της αποθήκης χρησιμοποιείται δεύτερη πειραματική διάταξη με περιφερειακό φωτισμό και σωματίδια διογκωμένης πολυστερίνης στο εσωτερικό της. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Για την μέτρηση ταχυτήτων στο εσωτερικό του συλλέκτη κατασκευάστηκε ένα πειραματικό μοντέλο συλλέκτη από πλεξιγκλάς με εσωτερικές διαστάσεις 81 x 135,5 x 10,2 cm, χωρητικότητας 110 lt περίπου που φαίνεται στην εικόνα 2. Η μία από τις πλάκες είναι λυόμενη ώστε να υπάρχει δυνατότητα τοποθέτησης και αλλαγής θέσεων των πτερυγίων και των σωλήνων του εναλλάκτη. Η στεγανότητα της πλάκας διασφαλίζεται με ελαστικό o-ring. Επίσης υπάρχουν 8 εναλλακτικές θέσεις με σπειρώματα ½" με δυνατότητα σύνδεσης της εισόδου και εξόδου του κυκλοφορητή ώστε να διερευνηθεί η καταλληλότερη θέση.
(α) (β) Εικόνα 3. Πειραματική διάταξη (α) LDV (β) οπτικοποίησης ροϊκού πεδίου Ο πειραματικός συλλέκτης τοποθετείται πάνω σε ένα μεταλλικό πλαίσιο με κενό στο κάτω μέρος ώστε να περνά το δικτύωμα που θα στηρίξει τις πλάκες πάνω στις οποίες βρίσκεται το laser και τα οπτικά μεταβίβασης και συλλογής. Το δικτύωμα στερεώνεται πάνω σε μία τράπεζα, με δυνατότητα κίνησης κατά τις τρεις καρτεσιανές συντεταγμένες x, y, z. Η πλήρης πειραματική διάταξη σε λειτουργία φαίνεται στη εικόνα 3α. Λεπτομέρειες για την πλήρη διάταξη LDV δίνονται στις εργασίες [3], [7]. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ταχυτήτων και αποκλίσεων διακύμανσης των, κατά μήκος των γραμμών της εικόνας 4, για παροχές κυκλοφορητή 900 l/h στο επίπεδο z=5,1 cm, στο μέσο επίπεδο δηλαδή μεταξύ των δύο μεγάλων πλακών της αποθήκης. Μετρήθηκαν περίπου 320 σημεία. Οι μετρήσεις επαναλήφθηκαν για μικρότερο αριθμό σημείων και παροχή 500 l/h. Για την διερεύνηση της επίδρασης των τοιχωμάτων στο ροϊκό πεδίο στο εσωτερικό του συλλέκτη μετρήθηκαν περισσότερα σημεία κοντά στα τοιχώματα. Τα προφίλ των ταχυτήτων (κατά την z συνιστώσα) μετρήθηκαν σε επιλεγμένα σημεία. Για την εκτίμηση του χρόνου αποκατάστασης ροής, για πλήρη δηλαδή ανάπτυξη του ροϊκού πεδίου από την έναρξη λειτουργίας του κυκλοφορητή, ελήφθησαν μετρήσεις σε επιλεγμένα σημεία 2, 4 και 10 λεπτά μετά την έναρξη του κυκλοφορητή. Για την οπτικοποίηση των τροχιών του ροϊκού πεδίου στο εσωτερικό της αποθήκης, χρησιμοποιήθηκε η πειραματική διάταξη της εικόνας 3β. Μικρά σωματίδια πολυστερίνης τοποθετήθηκαν στο εσωτερικό του συλλέκτη. Για τον φωτισμό τους τοποθετήθηκαν τέσσερις λαμπτήρες φθορισμού περιφερειακά της συσκευής. Ελήφθησαν φωτογραφίες με ψηφιακή φωτογραφική μηχανή και έγινε βιντεοσκόπηση του ροϊκού πεδίου. Εικόνα 4. Σύστημα συντεταγμένων και γραμμές μέτρησης
3. ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ Ένα τρισδιάστατο μοντέλο αναπτύχθηκε με τη χρήση του CFD λογισμικού Fluent 6.1. Η ροή στις σωληνώσεις ανακυκλοφορίας είναι εξαιρετικά τυρβώδης (Re=31750). Από τα πειραματικά δεδομένα στην αποθήκη προκύπτει ότι Re >> 2300 και άρα και η ροή στην αποθήκη είναι τυρβώδης. Ο αριθμός των κελιών του μοντέλου είναι 91.922. (b) (a) (c) Εικόνα 5. Πλέγμα υπολογιστικού μοντέλου (a) και λεπτομέρειες κοντά στα τοιχώματα (b) και τα στόμια εισόδου εξόδου (c) Το μοντέλο τροφοδοτήθηκε με τα εξής δεδομένα. Πυκνότητα νερού ρ =995,7 kg/m 3 (για θερμοκρασία 30 ºC), Ιξώδες μ = 7,97x10-4 kg m -1 s -1, Υδραυλική διάμετρος στης είσοδο D H = 0,0127 m, Ένταση τύρβης στην είσοδο I =4,4 %. Τραχύτητα τοιχώματος κ s = 5x10-4 m. Για την ταχύτητα εισόδου μια μέση τιμή u m = 1,97 m/s βασιζόμενη στην παροχή 900 l/h μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Όμως αντ αυτού χρησιμοποιήθηκε μια συνάρτηση χρήστη σε γλώσσα C, που βασίζεται στην παρακάτω εξίσωση (1) για τυρβώδη ροή σε αγωγούς. 1/ 7 R r max =. 224 R r u() r = u 1 um (1) R R Κατά την επίλυση, χρησιμοποιήθηκε σχήμα δευτέρας τάξης για όλες τις εξισώσεις. Όπου εξήχθη χρονικά μεταβαλλόμενη λύση, χρησιμοποιήθηκε βήμα 1 δευτερολέπτου. Ανάλογα μοντέλα αναπτύχθηκαν και για τη διερεύνηση της γεωμετρίας των πτερυγίων συγκράτησης, αλλά και για τις διάφορες θέσεις και μεγέθη των στομίων. 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 ΑΠΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΧΩΡΙΣ ΠΤΕΡΥΓΙΑ Στην εικόνα 6 φαίνονται οι ροϊκές γραμμές του πεδίου της αποθήκης. Μια πρώτη εξέταση των αποτελεσμάτων στα σημεία C και D της εικόνας 4, καταδεικνύει ότι οι ροϊκές γραμμές είναι σχεδόν παράλληλες στα τοιχώματα σε αρκετά μεγάλη περιοχή. Δύο άλλα χαρακτηριστικά σημεία της ροής είναι τα A και B, όπου οι x συνιστώσες έχουν μέγιστες τιμές, αλλά οι y συνιστώσες εξακολουθούν να είναι υπολογίσιμες. Η ροή είναι τυρβώδης και υψηλοί αριθμοί Reynolds, βασισμένοι στο ύψος του δοχείου, παρατηρούνται. Το παρόν υπολογιστικό μοντέλο επιλύθηκε με όλα τα διαθέσιμα μοντέλα τύρβης από το Fluent [6] (standard k-ε και παραλλαγές, standard k-ω και παραλλαγές, μοντέλο τάσεων Reynolds, Spallart-Almaras). Για 1/ 7
την επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν τα εξής κριτήρια. Κατά πρώτον συγκρίνονται οι υπολογισθείσες ταχύτητες στα σημεία Α, Β, C και D της εικόνας 4, καθώς και τα διαγράμματα ταχυτήτων κατά μήκος των κεντρικών γραμμών που περνούν από το μέσο Μ με τις πειραματικές. Η σύγκριση επαναλαμβάνεται και για την τυρβώδη κινητική ενέργεια. Οι ροϊκές γραμμές που δίνει κάθε μοντέλο τύρβης συγκρίνονται με αυτές της εικόνας 6(α). Σε κάθε λύση υπολογίζεται και η μέση σταθμισμένη ταχύτητα στον όγκο των στοιχείων U vwa όλου του ροϊκού πεδίου όπως ορίζεται στην παρακάτω εξίσωση (2). U vwa 1 1 = UdV = V V n 1 U V όπου U i είναι η ταχύτητα του στοιχείου i και V i ο όγκος του. i i (2) (a) (b) (c) Εικόνα 6. Ροϊκές γραμμές (a) Πειραματικές (b) Φωτογράφηση (c) Υπολογισμένες από το Fluent Συνδυάζοντας όλα τα παραπάνω κριτήρια, επιλέγεται το μοντέλο standard k-ω σαν πλέον κατάλληλο για την περιγραφή του ροϊκού πεδίου του συλλέκτη. Στην εικόνα 7 δίνονται συγκριτικά αποτελέσματα μεταξύ πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων για το μέτρο της ταχύτητας. Για την διερεύνηση της τύρβης της ροής υπολογίζεται η τυρβώδης κινητική ενέργεια. Επειδή δεν υπάρχει πειραματικά η δυνατότητα να μετρηθεί η w συνιστώσα της διακύμανσης της ταχύτητας (κατά την z διεύθυνση) για τον υπολογισμό της τυρβώδους κινητικής ενέργειας k χρησιμοποιείται η παρακάτω εξίσωση (3) 3 ' 2 ' 2 k = ( u + v ) (3) 4 Που βασίζεται στην προσεγγιστική σχέση (4) [5],[6]. '2 '2 ( u ) '2 w.5 + = 0 v (4) Παρατήρηση των προφίλ ταχύτητας (κατά μήκος της z συνιστώσας κάθετα δηλαδή στο επίπεδο της εικόνας 4) δείχνει ότι η ταχύτητα είναι πρακτικά σταθερή σε απόσταση μεγαλύτερη από 5 mm από το τοίχωμα. Για το σημείο D της εικόνας 4, μετρήθηκαν οι ταχύτητες για διάφορες παροχές εισόδου. Από τα αποτελέσματα προκύπτει σχεδόν γραμμική σχέση ταχύτητας και παροχής που περιγράφεται από τη παρακάτω σχέση (5). V y = 0,0002Q + 0,0198 (5) όπου V y είναι σε m/s και Q σε l/h. Η γραμμική αυτή σχέση δίνει μια γρήγορη και σωστή εκτίμηση του μέτρου της ταχύτητας σε ένα από τα πιο χαρακτηριστικά σημεία της ροής.
Ο χρόνος που απαιτείται ώστε οι ταχύτητες του ροϊκού πεδίου να πλησιάσουν τις μέγιστες σχεδόν τιμές τους, από την έναρξη λειτουργίας του κυκλοφορητή, προσδιορίστηκε πειραματικά και υπολογιστικά στα 40 sec περίπου. (α) (β) Εικόνα 7. Ισοϋψείς καμπύλες μέτρου ταχύτητας (α) Πειραματικές (β) Υπολογισμένες από το Fluent 4.2 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ Με τη χρήση του προηγούμενου μοντέλου γίνεται βελτιστοποίηση των παραμέτρων που συντελούν στην μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής ή την μεγιστοποίηση της σταθμισμένης ταχύτητας του υγρού της αποθήκης [1]. Οι παράγοντες που εξετάζονται είναι πρώτον το μέγεθος και η θέση των στομίων εισόδου εξόδου, δεύτερον η επίδραση της τραχύτητας των τοιχωμάτων (κυρίως λόγω επικαθήσεων) και τρίτον ο αριθμός, η θέση και το μέγεθος των πτερυγίων συγκράτησης των δύο μεγάλων επιφανειών της αποθήκης. 4.2.1 Αποτελέσματα για διάφορες θέσεις και μεγέθη των στομίων εισόδου εξόδου Για την επίδραση της θέσης των στομίων εισόδου εξόδου της ανακυκλοφορίας εξετάζονται έξι διαφορετικές περιπτώσεις για την διάταξη των στομίων σύμφωνα με την εικόνα 8. Για τις πέντε πρώτες περιπτώσεις η μέση σταθμισμένη ταχύτητα είναι σχεδόν ίδια (0,09 m/s). Αντίθετα η ταχύτητα της περίπτωσης όπου είσοδος είναι η θέση 6 είναι κατά πολύ μειωμένη (0,038 m/s) και πρέπει οπωσδήποτε να αποφεύγεται. Η θέση 1 επιλέγεται ως η πλέον κατάλληλη. Δοκιμές με διάφορες διαμέτρους στομίων δείχνουν ότι τα στόμια εισόδου εξόδου πρέπει να κατασκευάζονται όσο το δυνατόν μικρότερα, χωρίς βέβαια να αυξάνουν υπερβολικά τη πτώση πίεσης. Εικόνα 8. Δυνατές θέσεις στομίων εισόδου εξόδου
Επίσης η απόσταση l d, του άξονα του στομίου από την εσωτερική ακμή του δοχείου (εικόνα 8) πρέπει να κρατείται η ελάχιστη δυνατή (περίπου μία διάμετρος). Αύξηση της απόστασης αυτής κατά 2 και 4 διαμέτρους οδηγεί σε μείωση κατά 4,3% και 7,5% της μέσης ταχύτητας 4.2.2 Αποτελέσματα για διάφορες τραχύτητες τοιχώματος Σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του συλλέκτη, παρατηρούνται θερμοκρασίες μέχρι 65 C, που πιθανό να δημιουργήσουν επικαθίσεις στα τοιχώματα, αυξάνοντας την τραχύτητα. Η επίδραση της στο ροϊκό πεδίο εξετάζεται για τιμές της τραχύτητας 0.1, 0.2, 0.5, 1 και 2 mm. Για μικρές τραχύτητες μέχρι 0.2 mm, οι ταχύτητες φαίνεται να μην επηρεάζονται. Όμως μεγαλύτερες τιμές στην τραχύτητα (2 mm) μπορεί να οδηγήσουν σε μείωση μέχρι και 15% των ταχυτήτων στα σημεία A, B, C, D και 17% της μέσης ταχύτητας αποθήκης. Όμως, λόγω της μη ανανέωσης του νερού του δοχείου, δεν αναμένονται σημαντικές επικαθίσεις. 4.2.3 Διάταξη των πτερυγίων συγκράτησης Οι δύο μεγάλες επιφάνειες της αποθήκης πρέπει να συγκρατούνται σε παράλληλη θέση μεταξύ τους. Η υδροστατική πίεση όμως του νερού στο εσωτερικό της αποθήκης είναι πιθανό να οδηγήσει σε κάποια παραμόρφωση. Για να αποφευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται πτερύγια συγκράτησης που συγκολλούνται μεταξύ των δύο επιφανειών. Κάποιες αρχικές προσπάθειες για την τοποθέτηση των πτερυγίων αναφέρονται στην εργασία [2]. Παρατηρώντας το ροϊκό πεδίο και πειραματιζόμενοι με διάφορες διατάξεις καταλήγουμε στην τοποθέτηση των πτερυγίων της εικόνας 9(α), δηλαδή τα πτερύγια που θα τοποθετηθούν, πρέπει να ακολουθούν τις ροϊκές γραμμές ώστε να μην διαταράσσεται το ροϊκό πεδίο. Έτσι, σαν βέλτιστη λύση επιλέγεται η χρήση των πτερυγίων 1-5 που οδηγούν σε μείωση της μέσης ταχύτητας κατά 8% ή αν απαιτείται μεγαλύτερη αντοχή τα πτερύγια 1-9 με μείωση της μέσης ταχύτητας κατά 15%. Για το πλέγμα του υπολογιστικού μοντέλου με πτερύγια ο αριθμός κελιών του μοντέλου είναι 183.481. Στην εικόνα 9(β),(γ) φαίνονται φωτογραφήσεις ροϊκών τροχιών γύρω από τα πτερύγια αποδεικνύοντας την ορθή τοποθέτηση τους. (α) (β) (γ) Εικόνα 9. (α) Βέλτιστη διάταξη των πτερυγίων (β) Φωτογράφηση ροϊκών γραμμών ολόκληρου του ροϊκού πεδίου (γ) λεπτομέρειες της ροής κοντά στα πτερύγια. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ & ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ Το ροϊκό πεδίο ενός επίπεδου ICS με ανακυκλοφορία του υγρού της αποθήκης ακολουθεί μία περιστροφική τροχιά γύρω από το γεωμετρικό κέντρο του συλλέκτη και η ροή είναι τυρ-
βώδης σχεδόν σε ολόκληρο το ροϊκό πεδίο. Όταν ο κυκλοφορητής του συστήματος ξεκινά από ηρεμία, απαιτείται πρακτικά χρόνος περίπου 40 δευτερολέπτων, ώστε οι ταχύτητες να φτάσουν τις μέγιστες τιμές τους. Το προφίλ των ταχυτήτων είναι σχεδόν σταθερό για απόσταση μεγαλύτερη των 5 mm από το τοίχωμα. Για τη διερεύνηση των φαινόμενων το standard k-ω μοντέλο τύρβης είναι αυτό που δίνει την καλύτερη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Η διάμετρος των στομίων εισόδου εξόδου πρέπει να είναι 1/2" ή και μικρότερη αν το επιτρέπει η κατασκευή. Αύξηση της διαμέτρου οδηγεί σε μείωση της έντασης του κύριου στροβίλου και άρα και της θερμανταλλαγής. Η απόσταση l d πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή (μία διάμετρος στομίου). Αυτό βέβαια εξαρτάται και από τον τρόπο κατασκευής της διάταξης. Η θέση των στομίων εισόδου και εξόδου δεν έχει μεγάλη επίδραση στο πεδίο ταχυτήτων. Όμως η περίπτωση της εισόδου κάθετα στην μεγάλη επιφάνεια της αποθήκης πρέπει οπωσδήποτε να αποφευχθεί. Μία λογική θέση για την είσοδο είναι πάνω-δεξιά και την έξοδο κάτω-αριστερά. Η βέλτιστη θέση των πτερυγίων φαίνεται στην εικόνα 9α. Ικανοποιητική είναι η τοποθέτηση 5 πτερυγίων μήκους 10 cm. Αν απαιτηθεί μεγαλύτερη αντοχή της κατασκευής, τοποθετούνται άλλα 4 πτερύγια μήκους 5 cm υπό κλίση 10. Θέματα για μελλοντική διερεύνηση μπορεί να αποτελέσουν ο έλεγχος της θέσης των πτερυγίων, σε φυσική κυκλοφορία του υγρού της αποθήκης. Αυτό απαιτεί λύση με μοντέλο που να εμπεριέχει τις εξισώσεις ενέργειας και πυκνότητα και ιξώδες μεταβαλλόμενα με την θερμοκρασία. Ένα άλλο μεγάλο θέμα που πρέπει να διερευνηθεί είναι η θέση και το μέγεθος των σωληνώσεων του εναλλάκτη, αλλά και η επίδραση του στο ροϊκό πεδίο, ώστε να ολοκληρωθεί η βελτιστοποίηση της διάταξης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστούμε τον Αναπληρωτή Καθηγητή Κούτμο Π. για τη παραχώρηση θέση εργασίας στο λογισμικό Fluent και τον Επίκουρο Καθηγητή Θ. Πανίδη για τον εξοπλισμό και την υλοποίηση της πειραματικής διάταξης LDV. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Σ.Ε. Πνευματικάκης, Ι.Γ. Καούρης, Κ. Π. Γκέρτζος «Ανάπτυξη ολοκληρωμένου ηλιακού θερμοσίφωνα ICS, επίπεδου συλλέκτη αποθήκης», Πρακτικά 7ου Εθνικού Συνέδριο ΙΗΤ, Πάτρα, 2002. 2. Κ. Π. Γκέρτζος, Ι.Γ. Καούρης, Σ.Ε. Πνευματικάκης «Εντατικοποίηση μετάδοσης θερμότητας σε ολοκληρωμένο ηλιακό θερμοσίφωνα ICS, επίπεδου συλλέκτη αποθήκης», Πρακτικά 7ου Εθνικού Συνέδριο ΙΗΤ, Πάτρα, 2002. 3. Κ. Π. Γκέρτζος, Ι.Γ. Καούρης, Α.Π. Βούρος «Πειραματική μελέτη ροϊκού πεδίου ταχυτήτων ολοκληρωμένου συστήματος επίπεδου ηλιακού συλλέκτη αποθήκης (ICS) σε εξαναγκασμένη ροή, «Ροή 2004», Πρακτικά Συν., «Πρόσφατες Ερευνητικές δραστηριότητες στη Μηχανική των ρευστών στην Ελλάδα», Αθήνα, 2004 G. L. Morrison, A. Nasr, M. Behnia and G. Rosengarten, Analysis of horizontal mantle heat exchangers in solar water heating systems, Solar Energy Vol. 64, Nos 1 3, 1998. 4. L. J. Shah, G. L. Morrison and M. Behnia, Characteristics of vertical mantle heat exchangers for solar water heaters, Solar Energy Vol. 67, Nos. 1 3, 1999. 5. FLUENT 6 User's Guide, Tutorial guide 6. Instruction manual 900 Series laser optics, Thermo-Systems Inc. 7. Hadid AH, Sindir MM, Issa RI, Numerical study of two dimensional vortex shedding from rectangular cylinders, Comp. Fluid Dyn. J2, 1992.