KFUPM ePrints

Modeling Fluid Flow and Heat Transfer in a Porous Ceramic Used for High Concentration Solar Receivers

l Modeling Fluid Flow and Heat Transfer in a Porous Ceramic Used for High Concentration Solar Receivers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF
Restricted to Abstract Only until 29 May 2019.

5Mb

Arabic Abstract

تبحث هذه الرسالة حركة الموائع وانتقال الحرارة في السيراميكيات الإسفنجية المستخدمة كمستقبلات لأشعة الشمس عالية التركيز باستخدام برامج المحاكاة الإلكترونية وافتراض شكل مبسط للإسفنج. تم اختيار الشكل المبسط بناء على أبحاث سابقة أثبتت تشابه النتائج المحصلة منه مع النتائج المحصلة من الاختبارات المعملية. قمنا بعرض عملية محاكاة واحدة بالتفصيل وذلك تحت الظروف الآتية : شدة الإشعاع الشمسي: ألفي شمس, معدل تدفق الهواء: 12.5 كيلوجرام في المتر المربع خلال الثانية, معامل التوصيل الحراري: 100 واط في المتر لكل درجة حرارة و معامل امتصاص الأشعة ب 0.9 وحصلنا على كفاءة تعادل 93.1 % ودرجة حرارة للهواء الخارج تعادل 447 كيلفن. ثم تم عمل دراسة موسعة لمعرفة تأثير العوامل المختلفة على الأداء. استخلصت العلاقة بين سرعة حركة الهواء في الإسفنج وبين معامل الاحتكاك ومعامل انتقال الحرارة ووجدت العلاقة مقاربة لما تم استخلاصه من دراسات سابقة. حددت النسبة بين شدة الإشعاع و معدل تدفق الهواء كأهم نسبة تتحكم في أداء المستقبلات الشمسية. ووجد أن لمعامل امتصاص الأشعة أثر كبير على النتائج بينما ليس لمعامل التوصيل الحراري للمكون الصلب للإسفنج أثر ملاحظ. الخلاصة: تم إثبات أن الطريقة المستخدمة في هذا البحث بسيطة وغير مكلفة وتؤتي نتائج دقيقة إلى حد بعيد.

English Abstract

This thesis investigates the fluid flow and the heat transfer in ceramic foams, used for high concentration solar receivers; numerically utilizing a simplified geometrical model. The simplified geometry is a truncated octahedron strut consisting of cylindrical beams; ligaments. Three configuration of the geometry are constructed; a basic geometry consisting of a single cell model, two multiple unit cells geometries of 2 by 2 by 2 cells and a 2 by 2 by 3 cells. This novel approach has not been previously used in the literature to study ceramic foams as concentrated solar absorbers. The fluid flow and heat transfer equations within the simplified models are solved numerically using a commercial CFD program. A basic case with an irradiation of G = 2 MW/m^2 and an air mass flux of m'' = 12.5 kg/m^2.s is conducted for the three geometric configurations. The radiation, temperature and velocity profiles are reported. The cell efficiency is found to be 93.1 at air exit temperature of 447 K for 2^2 x3 multiple unit cells case. Further, a parametric study consisting of more than 500 design points is conducted. A pressure drop and volumetric heat transfer coefficient relations are derived against superficial air velocity. The relations are found to be consistent with published references. The ratio of the solar flux to the mass flux is identified as a key parameter that affect most critical performance parameters of a unit cell. The parametric study showed that the surface absorbtivity of the foam material have a much larger effect on the foam performance than its thermal conductivity. The unit cell simplified method proved to be a simple, robust and accurate method in modeling fluid flow and heat transfer in ceramic foams.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Engineering
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Ben-Mansour, Rached
Committee Members:Antar, Mohammed and Mokheimer, Esmail
ID Code:140750
Deposited By:MAJID LINJAWI (g200927850)
Deposited On:30 May 2018 12:37
Last Modified:30 May 2018 12:37

Repository Staff Only: item control page