Numerical investigation on the thermal performance of parabolic trough solar collector with delta winglet vortex generator and nanofluid. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS thesis.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 7 June 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

تُعدّ المجمّعات الشمسية ذات القطع المكافئ الأسطواني (PTSCs) من بين أكثر تقنيات الطاقة الحرارية الشمسية المركّزة نضجًا. ومع ذلك، فإن أداءها محدود بسبب محدودية معامل انتقال الحرارة بالحمل داخل أنابيب الاستقبال الملساء، وبسبب التوزيع غير المنتظم للتدفق الحراري الشمسي على سطح محيط الانبوب. تؤدي هذه القيود إلى حدوث تدرجات في درجة حرارة الجدار، وتقليل كمية الحرارة المفيدة المستخلصة، وزيادة اللاانعكاسية الحرارية. في هذه الأطروحة، أُجريت دراسة عددية ثلاثية الأبعاد لتحسين الأداء الحراري والهيدروليكي والديناميكي الحراري لأنبوب استقبال في مجمّع شمسي ذي قطع مكافئ أسطواني باستخدام مولدات دوامات على شكل زعانف دلتا، وعدد من الموائع النانوية الهجينة المختارة القائمة على Syltherm-800. تم تطوير نموذج ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لأنبوب استقبال المجمّع الشمسي باستخدام برنامج ANSYS FLUENT وقد نُمذج أنبوب الاستقبال تحت ظروف حالة مستقرة، وجريان غير قابل للانضغاط، وجريان مضطرب، مع عدد رينولدز في المدى من 5000 الى 30000. تم تطبيق تدفق حراري غير منتظم على أنبوب المستقبل لتمثيل تأثيرات التركيز الشمسي الواقعية. تم التحقق من صحة النموذج العددي باستخدام علاقات تجريبية وبيانات تجريبية متاحة. في المرحلة الأولى من الدراسة، تم بحث المعاملات الهندسية لمولدات الدوامات ذات زعانف دلتا، بما في ذلك زاوية الهجوم α في المدى من 0° الى 60°، ونسبة الحجب BR في المدى من 0.1 الى 0.3، ونسبة الخطوة PR في المدى من 0.2 الى 1.6. وقد قُيّم أداؤها باستخدام نسبة عدد نسلت، ونسبة معامل الاحتكاك، ومعيار تقييم الأداء (PEC). في المرحلة الثانية، تم فحص أربعة موائع نانوية هجينة، وهي Al2O3-GO/Syltherm-800، وFe2O3-GO/Syltherm-800، وAl2O3-SiO2/Syltherm-800، وCu-MgO/Syltherm-800 ثم جرى تحسين أداء أفضل مائع نانوي هجين من حيث التركيز الحجمي للجسيمات النانوية Φ في المدى من 1.0% الى 3.0% ونسب مختلفة لخلط الجسيمات النانوية (75:25, 50:50, و 25:75). أظهرت النتائج أن زيادة زاوية الهجوم ونسبة الحجب عززت خلط الجريان وانتقال الحرارة، إلا أن الزيادة المصاحبة في هبوط الضغط قللت من الفائدة الحرارية-الهيدروليكية الإجمالية. وعلى النقيض من ذلك، أدى تقليل نسبة الخطوة إلى تحسين الأداء المشترك من خلال زيادة تكرار تعطيل الطبقة الحدية الحرارية. وضمن النطاق المدروس، وُجد أن التكوين الأمثل لمولدات الدوامات هو: α = 0°، وBR = 0.1، وPR = 0.2 .ومن بين الموائع النانوية الهجينة المختبرة، قدّم Al2O3-GO/Syltherm-800 أفضل أداء حراري وإكسرجي. كما أظهر التحسين الإضافي أن تركيزًا حجميًا للجسيمات النانوية قدره Φ = 3.0% ونسبة خلط Al2O3:GO مقدارها 75:25 أنتجا الاستجابة الإجمالية الأكثر ملاءمة. أظهرت المقارنة بين التكوينات الرئيسة ترتيبًا واضحًا في الأداء، حيث جاء مستقبل القطع المكافئ المزود بمولدات الدوامات المحسّنة مع مائع Al2O3-GO/Syltherm-800 في المرتبة الأولى، يليه المستقبل المزود بمولدات الدوامات المحسّنة مع مائع Syltherm-800، ثم الأنبوب الأملس مع مائع Syltherm-800. وقد حقق المستقبل المزود بمولدات الدوامات المحسّنة كفاءة حرارية أعلى من المستقبل الأملس، كما أدى استخدام مائع Al2O3-GO/Syltherm-800 إلى زيادة إضافية في الكفاءة الحرارية. بلغت أعلى نسبة تحسن في الكفاءة الحرارية عند درجة حرارة دخول Tin = 500 K نحو 2.83%. أما في تحليل تأثير معامل درجة الحرارة، فقد بلغت أعلى نسبة تحسن 5.21% عند معامل درجة حرارة يساوي 0.41. أظهرت الكفاءة الإكسرجية أفضل أداء عند استخدام مولدات الدوامات مع مائع Al2O3-GO/Syltherm-800. وبلغت أعلى نسبة تحسن في الكفاءة الإكسرجية عند Tin = 500 K نحو 2.83%. أما ضمن تحليل معامل درجة الحرارة، فقد بلغت أعلى نسبة تحسن 5.23% عند معامل درجة حرارة يساوي 0.41. كما أكد تحليل توليد الإنتروبي أن الحالة المحسّنة باستخدام المائع النانوي الهجين أعطت أقل مقدار من اللاانعكاسية، بينما أشار رقم بيجان إلى أن اللاانعكاسية الحرارية بقيت المصدر الرئيس لتوليد الإنتروبي. وبشكل عام، تُظهر النتائج أن الجمع بين مولدات الدوامات المحسّنة ذات زعانف دلتا ومائع Al2O3-GO/Syltherm-800 يُعد استراتيجية فعالة لتحسين الأداء الحراري-الهيدروليكي والديناميكي الحراري لأنابيب استقبال المجمّعات الشمسية ذات القطع المكافئ الأسطواني.

English Abstract

Parabolic trough solar collectors (PTSCs) are among the most mature concentrating solar thermal technologies. However, their performance is limited by the relatively low convective heat-transfer coefficient inside smooth receiver tubes and by the non-uniform circumferential solar heat-flux distribution imposed on the absorber surface. These limitations produce wall-temperature gradients, reduce useful heat extraction, and increase thermal irreversibility. In this thesis, a three-dimensional numerical investigation was conducted to improve the thermal, hydraulic, and thermodynamic performance of a PTSC receiver tube using delta-winglet vortex generators and selected Syltherm-800 based hybrid nanofluids. A computational fluid dynamics model of the PTSC receiver was developed using ANSYS FLUENT. The receiver was modeled under steady-state, incompressible, turbulent-flow conditions, with Re number in the range of 5000 to 30000. Non-uniform heat flux applied to the absorber tube to represent realistic solar concentration effects. The numerical model was validated using empirical correlations and available experimental data. In the first stage of the study, the geometric parameters of the delta-winglet vortex generators, including attack angle α in the range from 0° to 60°, blockage ratio BR in the range from 0.1 to 0.3, and pitch ratio in the range from 0.2 to 1.6, were investigated. Their performance was evaluated using the Nusselt number ratio, friction factor ratio, and performance evaluation criterion (PEC). In the second stage, four hybrid nanofluids were examined: Al2O3-GO/Syltherm-800, Fe2O3-GO/Syltherm-800, Al2O3-SiO2/Syltherm-800, and Cu-MgO/Syltherm-800. The best-performing hybrid nanofluid was then further optimized in terms of nanoparticle volume concentration Φ in the range from 1.0% to 3.0% and different nanoparticle mixing ratios (75:25, 50:50, and 25:75). The results showed that increasing the attack angle and blockage ratio enhanced flow mixing and heat transfer, but the associated pressure-drop penalty reduced the overall thermal-hydraulic benefit. In contrast, reducing the pitch ratio improved the combined performance by increasing the frequency of thermal boundary-layer disruption. Within the investigated range, the optimum vortex-generator configuration was found to be α = 0°, BR = 0.1, and PR = 0.2. Among the tested hybrid nanofluids Al2O3-GO/Syltherm-800 provided the best thermal and exergetic performance. Further optimization showed that a nanoparticle volume concentration of Φ = 3.0% and a Al2O3:GO mixing ratio of 25:75 produced the most favourable overall response. The comparison among the main configurations showed a clear performance ranking: optimized vortex-generator receiver with Al2O3-GO/Syltherm-800, optimized vortex-generator receiver with Syltherm-800, and smooth tube with Syltherm-800. The optimal VG receiver gave a higher thermal efficiency than the smooth receiver, while the presence of Al2O3-GO/Syltherm-800 gave an additional increase in thermal efficiency. The maximum thermal efficiency enhancement achieved at Tin = 500 K was 2.83%. For temperature analysis the maximum enhancement was 5.21% at temperature parameter = 0.41. The exergetic efficiency showed optimal performance when using VG with Al2O3-GO/Syltherm-800. The maximum exergetic efficiency enhancement achieved at Tin = 500 K was 2.83%. Under the temperature-parameter analysis, the maximum enhancement was 5.23% at temperature parameter = 0.41. Entropy-generation analysis confirmed that the optimized hybrid-nanofluid case produced the lowest irreversibility, while the Bejan number indicated that thermal irreversibility remained the dominant source of entropy generation. Overall, the results demonstrate that combining optimized delta-winglet vortex generators with Al2O3-GO/Syltherm-800 is an effective strategy for improving the thermal-hydraulic and thermodynamic performance of PTSC receiver tubes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Hussein A Mohammed Mohammed,
Thesis Committee Members:	Obaidallah Munteshari, Ravishankar Sathyamurthy,
Depositing User:	HASHIM ALI
Date Deposited:	08 Jun 2026 05:58
Last Modified:	08 Jun 2026 05:58
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144522