NUMERICAL INVESTIGATION OF HYDRODYNAMIC AND THERMAL PERFORMANCE OF SILICON CARBIDE AS A SOLAR VOLUMETRIC RECEIVER

NUMERICAL INVESTIGATION OF HYDRODYNAMIC AND THERMAL PERFORMANCE OF SILICON CARBIDE AS A SOLAR VOLUMETRIC RECEIVER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Master Thesis)
Thesis draft.pdf - Draft Version
Restricted to Repository staff only until 3 January 2023.
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (6MB)

Arabic Abstract

يعتبر المستقبل الحجمي المسامي في النظام الشمسي-الحراري أداة واعدة لتحصيل وكسب الطاقة. يظل السلوك الهيدروديناميكي والأداء الحراري للهياكل المسامية في المستقبل عاملين مؤثرين للتشغيل الفعال للنظام. لذلك في هذه الدراسة، سيتم إجراء تقييم لرغوة (هيكل مسامي) مصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) في جهاز استقبال حجمي لنظام تجميع الطاقة الشمسية المركزة. في هذه الدراسة العددية، تم استخدام نموذج ثلاثي الأبعاد لرغوة SiC حقيقية وتم اعتماد نموذج إشعاع الإحداثيات المنفصلة والمعروف بـ ( (DOوالذي يتضمن أنواع النقل الحراري التالية: التوصيل والحمل. تم عمل مسح التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد (CT-scan) لرغوة SiC المسامية لاستخدامها في نمذجة المحاكة CFD. بعد ذلك تم وضع الرغوة في قناة مربعة جدارها العلوي شفاف، والذي يسمح للإشعاع الشمسي بدخول القناة. يتم فحص استجابة النظام من خلال استعمال اثنين من الموائع (الهواء والماء). يتم تقييم الأداء الحراري الكلي لنظام التركيز الشمسي من خلال النظر في معامل انتقال الحرارة الكلي ورقم Nu والفعالية الحرارية بناءً على درجة حرارة المائع عند مخرج القناة وكذلك الدرجة القصوى له في داخل القناة. يتم حساب جميع معاملات الأداء باستخدام الخصائص المعتمدة على درجة الحرارة للهواء والماء وكربيد السيليكون. تتم دراسة المعاملات عند أرقام مختلفة من Re وتركيزات عديدة للطاقة الشمسية وباعتبار قيم مختلفة لمسامية كربيد السيليكون. يتم إجراء تقييم السلوك الهيدروديناميكي والحراري لرغوة SiC المسامية باعتبار حالة تدفق المائعlaminar و turbulent. يتضمن هذا البحث دراسة تأثير شكل القناة على أداء النظام الشمسي الحجمي والذي تم تحليلها عددياً باستخدام نهج الخلية المزدوجة مع نموذج (LTNE). تم اختبار الشكل المخروطي (المتقارب) للمستقبل الحجمي لتحقيق أفضل تصميم أداء لجهاز الاستقبال الحجمي. يتم تحليل تكوينات مختلفة من المخروط المخروطي، وتم إجراء مقارنة بين هذه التكوينات من خلال تغيير معاملات التصميم مثل زاوية انحراف المخروط ونسبة قطر مدخل المائع إلى قطر المخرج، وطول القناة. لوحظ أن استخدام رغوة SiC المسامية يحسن بشكل كبير الأداء الحراري لنظام التحصيل الشمسي مقارنة بتكوين القناة عندما يكون فارغاً. كذلك لوحظ تحسن كبير في قيم Nu والذي يدل على أن نقل الحرارة بالحمل هو العامل المؤثر الأكبر على عملية التسخين بداخل النظام المسامي، والذي صاحبه ارتفاع طفيف في الضغط المفقود عبر القناة. علاوة على ذلك، لوحظ تحسين حراري كبير أثناء مقارنة التصاميم الجديدة مع تصاميم تقليدية سابقة للمستقبل الحجمي والتي تضمنت مساحة مقطعية متساوية لمدخل ومخرج القناة. كذلك من الجدير بالذكر أن التصاميم المقترحة الجديدة حققت تحسن كبير في الأداء للمكثفات الشمسية مقارنة بالتصاميم المدروسة سابقاُ بنفس قيمة فقد الضغط الناتج عبر القناة.

English Abstract

A porous volumetric receiver in the solar thermal system is a promising utility for energy harvesting applications. The hydrodynamic behavior and thermal performance of porous structures in the receiver remain critical for efficient operation. Hence, in the present study, the assessment of SiC foam in a volumetric receiver is carried out for a concentrated solar energy harvesting system. In the numerical study, a 3D model of actual SiC foam is incorporated and the discrete ordinates (DO) radiation model, which is fully coupled with conduction and convection heat transfer, is adopted. A 3-dimensional computed tomography scan (CT-scan) of porous SiC foam is imported for CFD modeling. The foam is located in a square channel having an optical transparent top wall, which allows solar radiation to enter the channel. The porous SiC adsorber responses are examined for two working fluids including air and water. The overall thermal performance of the solar harvesting system is evaluated by considering the overall heat transfer coefficient, normalized Nusselt number and thermal effectiveness based on the outlet and the maximum temperatures. All performance parameters are computed using temperature-dependent properties for different Reynolds numbers, solar concentrations, and porosities. Assessment of hydrodynamic and thermal behavior of porous SiC foam is conducted for both flow conditions laminar as well as turbulent. Further extension of assessment involves channel’s configurations which are numerically analyzed using dual-cell approach with LTNE model. Novel cone frustum (converging) shape of volumetric receiver is introduced to achieve the best-performing design of the volumetric receiver. Various configurations of cone frustum are analyzed, and comparison has been made between these configurations by varying design’s parameters such as cone angle of the frustum, the ratio of inlet diameter to outlet diameter, and length of receiver. It is observed that employing porous SiC foam considerably improves the thermal performance of the solar harvesting system as compared to the channel configuration without porous SiC foam. A significant improvement is observed in the Nusselt number while demonstrating the convection is the apparent heating mode in the porous system, provided that the pressure loss of the channel with SiC foam is not substantially high. Moreover, a significant thermal enhancement is observed while comparison with the previous volumetric receiver of the same volume and inlet conditions. It is worth mentioning that considerable high exit improvement is achieved for proposed configurations as compared to the previous studied design while having the almost same pressure.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Research
Research > Engineering
Physics
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Almerbati, Abdulrahman
Committee Members: Al-Sharafi, Abdullah
Depositing User: MUHAMMAD FAIZAN (g201806460)
Date Deposited: 03 Jan 2022 11:42
Last Modified: 03 Jan 2022 11:42
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142008