INVESTIGATION OF THE PERFORMANCE OF FLAT TUBE RECEIVER FOR PARABOLIC TROUGH COLLECTOR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS.Thesis_Khalifa.pdf Restricted to Repository staff only until 28 May 2026. Download (10MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الرسالة دراسة عددية شاملة للأداء البصري والحراري-الهيدروليكي لأنظمة المجمعات القطعية المكافئة المزودة بمستقبلات مبتكرة ذات أنبوب مسطح. تستعرض الدراسة تصميمين جديدين للمستقبل — الأنبوب المسطح الأفقي والأنبوب المسطح الرأسي — تم الحصول عليهما عن طريق تمديد مقطع دائري تقليدي مع الحفاظ على نفس المساحة المقطعية. تم تقييم الأداء البصري أولاً باستخدام محاكاة تتبع الأشعة بطريقة مونت كارلو لتتبع الأشعة (MCRT) عبر برنامج SolTrace لتحديد توزيعات الفيض الحراري غير المنتظمة لمختلف الأشكال الهندسية وأقطار الدائرة الأساسية. أظهرت النتائج أن الأنابيب المسطحة الأفقية يمكن أن تعزز الكفاءة البصرية بشكل ملحوظ، محققةً تحسنًا يصل إلى 21.93% للأقطار الصغيرة (10–20 مم)، وذلك على حساب زيادة عدم انتظام توزيع الفيض. بالمقابل، حسّنت الأنابيب المسطحة الرأسية انتظام الفيض بنسبة تصل إلى 11.88%، لكنها أظهرت انخفاضًا طفيفًا في الكفاءة البصرية. استنادًا إلى التحليل البصري، تم إجراء تقييم حراري-هيدروليكي باستخدام محاكاة تعتمد على طريقة العناصر المحددة، مع استخدام توزيعات الفيض الحراري غير المنتظم كحدود حرارية في النموذج العددي. تم تقييم التصميمات الثلاثة — الأنبوب المسطح الأفقي والرأسي بالإضافة إلى الأنبوب الدائري التقليدي — عبر ثلاثة أقطار أساسية ( 15 مم،30 مم،70 مم)، وعلى مدى من أرقام رينولدز (20,000–100,000) ودرجات حرارة دخول سائل نقل الحرارة تتراوح بين 150 إلى 350 درجة مئوية. تم تحليل مؤشرات الأداء مثل رقم نسلت، معامل الاحتكاك، الكفاءة الحرارية، القدرة المطلوبة للضخ، ونسبة الفائدة للتكلفة. أظهرت النتائج أن الأنبوب المسطح الأفقي حقق أداءً حرارياً متفوقاً باستمرار، مع زيادات في الكفاءة تصل إلى 9% عند قطر 15 مم، بينما أظهر الأنبوب المسطح الرأسي تحسينات معتدلة للأقطار الصغيرة، ولكنه كان أقل أداءً من الأنبوب الدائري التقليدي عند الأقطار الأكبر. ومع ذلك، كان هذا التحسن في انتقال الحرارة مصحوبًا بزيادة في الفقد الهيدروليكي (انخفاض الضغط)، خاصةً عند الأقطار الصغيرة، مما يؤكد على أهمية تحقيق توازن بين مكاسب الكفاءة والعقوبات الهيدروليكية. بشكل عام، تقدم هذه النتائج رؤى قيمة حول التوازن بين الكفاءة البصرية، الأداء الحراري، ومتطلبات القدرة على الضخ، وتدعم إمكانية استخدام المستقبلات المسطحة المحسنة هندسياً في تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية من الجيل القادم.

English Abstract

This thesis presents a comprehensive numerical investigation into the optical and thermal-hydraulic performance of parabolic trough collector (PTC) systems equipped with innovative flat tube absorbers. The study explores two novel absorber designs—horizontal and vertical flat tubes—derived by stretching a conventional circular cross-section while maintaining constant cross-sectional area. Optical performance was first evaluated using Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) simulations in SolTrace to determine the non-uniform heat flux profiles for different geometries and base circle diameters. Results revealed that horizontal flat tubes can significantly enhance optical efficiency, achieving up to 21.93% improvement for small diameters (10–20 mm), albeit with increased flux non-uniformity. Conversely, vertical flat tubes improved flux uniformity by up to 11.88% but exhibited slight reductions in optical efficiency. Building on the optical analysis, a thermal-hydraulic assessment was conducted using Finite Element Method (FEM)-based simulations, incorporating the non-uniform flux distributions as boundary conditions. —horizontal and vertical flat tube— were evaluated and compared with the conventional circular tube absorbers across three base circle diameters (d =15 mm, d = 30 mm, and d = 70 mm) The designs were evaluated across a range of Reynolds numbers (20,000–100,000) and heat transfer fluid (HTF) inlet temperatures (150–350 °C). Performance metrics such as Nusselt number, friction factor, thermal efficiency, pumping power, and Relative Benefit-Cost Ratio (RBCR) were analyzed. The horizontal flat tube consistently demonstrated superior overall thermal performance, with efficiency gains reaching up to 9% at d = 15 mm, while the vertical flat tube showed moderate improvements at small diameters but was outperformed by the circular design at larger sizes. However, the improved heat transfer of flat tube configurations was accompanied by increased pressure drop, especially at small base diameters, emphasizing the need to balance efficiency gains with hydraulic penalties. Collectively, the findings offer valuable insights into the trade-offs between optical efficiency, thermal performance, and pumping power, and support the potential of geometrically optimized flat tube receivers for next-generation solar thermal applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Shuja, Shahzada Zaman
Committee Members:	ZUBAIR, SYED M. and AlMerbati, Abdulrahman
Depositing User:	MOHAMMED SAADELDIN (g202213680)
Date Deposited:	29 May 2025 06:27
Last Modified:	29 May 2025 06:27
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143494