Evaluating Flux Distribution on a Volumetric Receiver for Concentrated Solar Application. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 5 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تقيّم هذه الدراسة توزيعات التدفق الحراري لتدفق حراري إجمالي قدره 20 كيلوواط مُطبق على سطح دائري قطره 120 مم وسُمكه 3 مم لتقليل المقاومة، وذلك من خلال تصميم مسعر حراري مُبرد بالماء، يخضع لظروف تدفق مركز متغيرة تتراوح من 1 إلى 4، مع توزيع غاوسي متوسط، بمتوسط تدفق حراري قدره 1592 كيلوواط/م²، باستخدام سرعة تبريد شعاعية ثابتة. استُخدم نوعان مختلفان من المواد، النحاس الأصفر والنحاس، على السطح الأمامي المُسوّد للمسعر الحراري لدراسة تأثير خصائصهما الحرارية. تم تحديد انبعاثية لوحة الاستقبال للمسعر الحراري بمعامل 0.9 بالنسبة للتدفق الحراري الساقط، بينما حُددت ظروف التدفق باستخدام معدلات تدفق كتلي مختلفة للماء المستخدم لتبريد السطح الخلفي للمسعر الحراري، مع الحفاظ على تدفق الماء عند مستوى ثابت لتجنب الغليان الموضعي. تُظهر النتائج المقارنة أن النحاس أفضل من النحاس الأصفر، حيث يحافظ على درجات حرارة أقل وتوزيع حراري أكثر تجانسًا نظرًا لموصليته الحرارية الفائقة. في جميع ظروف التشغيل المحاكاة، يتمتع المسعر بكفاءة حرارية تبلغ 90%، مع خسائر انبعاث منخفضة تصل إلى 10 واط، وهي ضئيلة للغاية مقارنةً بإجمالي التدفق الحراري. وقد تم تحديد ارتباط واضح بين شدة التدفق وأقصى تدرج حراري في كل من السطحين الأمامي والخلفي، بالإضافة إلى ارتباط واضح بين شدة التدفق ودرجات حرارة السطحين الأمامي والخلفي في المركز، مما يتيح استنتاجًا موثوقًا لخصائص التدفق من الاستجابات الحرارية. توفر هذه النتائج إرشادات مهمة بشأن اختيار المواد، ومتطلبات التبريد، وحدود التدفق المقبولة لتشغيل جهاز الاستقبال بكفاءة واستقرار.

English Abstract

The present study evaluates the heat flux distributions for total heat flux of 20 kW applied over a circular surface of 120 mm diameter and 3 mm thickness for lower resistance , through designed a water-cooled calorimeter subjected to varying concentrated flux conditions ranging from 1 up to 4 average gaussian distribution with an average heat flux of 1592 kW/m² using constant radial coolant velocity. Two different materials , brass and copper, are employed on the blackened front surface of the calorimeter to investigate the effect of their thermal properties. Receiving plate of the calorimeter assigned with emissivity of 0.9 with respect to the incident heat flux, while the flow conditions are defined by using different mass flow rates of water used to cool the back surface of the calorimeter and water flow was maintained at level to avoid local boiling. Comparative results show that copper is better than brass, maintaining lower temperatures and more uniform heat distribution due to its superior thermal conductivity. Across all simulated operating conditions, the calorimeter has thermal efficiency of 90%, with low emission losses of 10 W remaining minimal and within a negligible range relative to the total heat flux. A clear correlation between flux intensity and both the front and back maximum temperature gradient was identified as well as a clear correlation was observed between the flux intensity and both the front and back surface temperatures at the center enabling reliable inference of flux characteristics from thermal responses. These findings provide important guidance on material selection, cooling requirements and acceptable flux limits for stable and efficient receiver operation.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Amro Al-qutub,
Thesis Committee Members:	Rached Mansour, Majid Linjawi,
Depositing User:	NABEEL ALASMER (g202308490)
Date Deposited:	06 May 2026 04:58
Last Modified:	06 May 2026 04:58
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144133