Configurations study of parabolic trough collectors field for optimizing heat transfer fluids outlet temperature

Abstract

Parmis les différentes options pour réduire les coûts d'investissement relatifs à la technologie des concentrateurs solaires cylindro-paraboliques, l’amélioration des performances thermiques des absorbeurs solaires s'avère être une piste intéressante. De nouvelles conceptions et idées (Design) sont proposées régulièrement par les scientifiques afin d’atteindre un seuil élevé de la conversion photo-thermique. Récemment, une nouvelle étude proposée une nouvelle forme pour les tubes absorbeurs afin d’homogénéiser le rayonnement solaire concentré sur sa face externe sans pour autant affecter le facteur d’interception ; l’absorbeur proposé possède une forme sinusoïdale, concept complètement diffèrent des absorbeurs classiques avec leurs formes droites (rectilignes). Le model de turbulence SST k–ω du code de calcul Fluent 6.3 a été utilisé dans cette étude pour mener un travail d’investigation assez détaillé sur l’amélioration potentielle qu’offrirait cet absorbeur nouvellement conçu muni d’un tube S-courbé (sinusoïdale) sur les échanges d’énergies internes. En conséquence de la nouvelle forme du tube absorbeur, la distribution de la densité de flux solaire sur la face extérieure varie dans la direction longitudinale et la direction azimutale en même temps (d’un caractère 3D); tandis qu’elle ne varie que dans la direction azimutale sur les absorbeurs classiques droits (d’un caractère 2D). La validation du modèle, des simulations et des résultats numériques a été établie par comparaison avec des données expérimentales de la littérature disponibles pour des échangeurs de chaleur classique à tube sinusoïdal. L’analyse des écoulements de fluide à travers le nouvel tube absorbeur a démontré l’émergence de vortexes au niveau des courbures de la sinusoïde. Sur la base des résultats obtenus des simulations (validées) une étude comparative a été établie entre les deux absorbeurs (classique et nouvel) utilisant l’huile synthétique (Syltherm 800) comme fluide de travail. Il a été établi que sans aucun dispositif additionnel, le Nusselt moyen augmenterai de 45% à 63% pour le nouvel absorbeur solaire, tandis que le coefficient de frottement n’augmenterait que de 40.8%, ce qui conduit à une valeur maximale du critère d’évaluation de performance autour de 135%. La différence de température maximale (sur la face externe du tube) dans la direction azimutale (circonférence) allait diminuer au-dessous de 35 K pour pratiquement toute la plage des débits massiques, ce qui laisse croire que les contraintes thermique et les pertes de chaleur vont être réduites considérablement. En plus de tous les points positifs énumérés ci-dessus, avec cette nouvelle génération d’absorbeurs on espère arriver à une réduction importante dans les tailles des modules CCP, jusqu’à 31% en moins dans la longueur dans des conditions précises, pour atteindre les mêmes performances qu’offriraient les absorbeurs classiques. Amongst different options to drive down cost of parabolic trough collector (PTC) technology, new receiver designs have been proposed by some authors to improve overall performances and achieve higher thermal efficiency of the absorber pipe. Recently, a novel absorber tube has been proposed to homogenise the concentrated solar radiation on its outer surface without affecting the interception factor; the proposed absorber would have a sinusoidal shape with regard to the straight shape of the former. A Computational Fluid Dynamics (CFD) based on SST k–ω turbulent model is proposed to investigate the heat transfer potential enhancement within a newly designed S-curved tube as heat collection element (HCE) of the PTC unit. As a consequence of the novel shape of the absorber pipe, the heat density distribution on the outer surface varies in both longitudinal and azimuthal directions while it is varying only in the azimuthal direction on the former. The thermo-hydraulic behavior of the novel PTC absorber pipe is investigated and compared with the conventional one, using synthetic oil as heat transfer fluid (HTF). The validity of the model has been tested by comparing the simulation results with available experimental data for the sinusoidal pipe exchangers. The analysis of the HTF flow through the novel PTC absorber pipe showed the emergence of vortices at bends. It is established that, without any additional devices, the mean Nusselt number is expected to increase by 45 % to 63 %, while the friction coefficient increases by less than 40.8 % , which lead to a maximum performance evaluation criteria about 135% . The maximum circumferential temperature difference of the absorber pipe decreases below 35 K for almost all the range of the mass flow rates and should result in the reduction of thermal stresses and heat losses. In addition, with the newly absorber design, the PTC unit size could be reduced by 31%, keeping the same power of the solar plant as in the case of using full size conventional straight and smooth tube (CSST) absorber. من بين الخيارات المتعددة لخفض سعر تقنية حوض تجميع الطاقة الشمسية ذو القطع المكافئ، تصميمات لاقط (مستقبل) جديد تم اقتراحها من طرف بعض المؤلفين لتحسين الآداءات العامة وتحقيق اعلى كفاءة حرارية للأنبوب الماص. مؤخرا، أنبوب ماص جديد تم اقتراحه من اجل التوزيع الحسن لأشعة الشمس المركزة على سطحه الخارجي بدون التأثير على عامل الاعتراض؛ الماص المقترح له شكل جيبي مقارنة بالشكل المستقيم للسابق. اقتراح قانون حساب الموائع الديناميكية باستخدام فلوانت المبني على معادلات الاضطراب من اجل تحري تحسن مكنون التحول الحراري عبر الانبوب الملتوي على شكل المصمم جديدا للمجمع الحراري كعنصر من وحدة حوض تجميع الطاقة الشمسية ذو القطع Ѕ المكافئ. نتيجة للشكل الجديد للأنبوب الماص، كثافة التوزيع الحراري على السطح الخارجي تتغير في الاتجاهين الطولي والمحيط العرضي في حين كانت تتغير فقط في اتجاه المحيط العرضي على الماص السابق. تم تحري ومقارنة السلوك الهيدروحراري للأنبوب الماص الجديد لنظام الطاقة الشمسية ذو القطع المكافئ بالنظام التقليدي باستخدام الزيت الصناعي كمائع تحويل حراري. مصداقية النموذج تم اختبارها عن طريق مقارنة نتائج المحاكات مع المعطيات التجريبية المتوفرة عن الانابيب الجيبية للتبادلات. تحليل جريان مائع التحول الحراري عبر الانبوب الماص الجديد يبين نشأة دوامات عند التقوسات. لقد تم استنتاج انه بدون أي جهاز إضافي، انه من المتوقع ان يرتفع متوسط رقم نيوسالت من 45 ٪ الى 63 ٪، في حين يرتفع معامل الاحتكاك بأقل من 40.8 ٪، هذا يؤدي الى قيمة قصوى لمعيار تقييم الأداء في حدود 135%، الفارق الأقصى في درجات الحرارة للمحيط العرضي للأنبوب الماص تهوي لأقل من 35° م وهذا لجل مجال سرعات التدفق ويفترض ان تؤدي الى تقليص الاجهادات والحرارة الضائعة. بالإضافة، التصميم الجديد للماص، قد يقلص حجم حوض تجميع الطاقة الشمسية ذو القطع المكافئ بنسبة 31 ٪ بحيث يبقى مردوده مكافئ لمردود الأنبوب الماص المستقيم بحجمه الأصلي.