الفهرس 
Chapter (1) 1 introduction and aim of studyOnly 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 166 |  |  |
| | | from | 166 | | |
Abstract
الدراسة المقدمة في هذه الرسالة تهتم بتحسين انتقال الحرارة والأداء لمستقبل المجمع الشمسي الحوضي ذو القطع المكافئ الذي يستخدم حاليا على نطاق واسع في عمليات التسخين وانتاج الكهرباء. أظهرت الدراسات السابقة أن استخدام الإدخالات المختلفة داخل أنبوب المستقبل هو الأسلوب الأفضل لتحسين معدل انتقال الحرارة بسبب بساطته وانخفاض تكلفته. وفقًا لذلك، تقدم هذه الدراسة تقنية إدخال جديدة لتحسين انتقال الحرارة والأداء للمجمع الشمسي الحوضي باستخدام عمود حلزوني يدور مركزيًا داخل جهاز الاستقبال. الهدف الرئيسي للدراسة هو أن نفحص تجريبيًا وعدديًا إلى أي مدى يمكن أن يؤدي إدخال عمود حلزوني يدور مركزيًا داخل جهاز الاستقبال إلى تحسين أداء المجمع الشمسي الحوضي. في الدراسة التجريبية، تم تصميم جهاز اختبار تجريبي لمجمع شمسي حوضي صغير وإنشاءه في جامعة مصر الدولية التكنولوجية (MITU) بالقاهرة. يتكون جهاز الاختبار من ثلاث أنظمة فرعية هي : (1) مجمع شمسي حوضي، (2) نظام دوران للماء، (3) نظام لتتبع الشمس. (1) المجمع الشمسي الحوضي يتكون من ثلاثة مكونات هي : عاكس، ومستقبل، وعمود حلزوني دوّار. العاكس مصنوع من لوح أكليريك بسمك 2 مم على شكل قطع مكافئ بطول 1200 مم وعرض 871 مم ومسافة بؤرية 218 مم وانعكاسية السطح 0.85 ونسبة التركيز 11.7 وزاوية الحافة 90 درجة. المستقبل مصنوع من أنبوب من النحاس الأحمر بقطر خارجي 28.6 مم وقطر داخلي 26.4 مم وطول 1440 مم والأنبوب مطلي باللون الأسود بمعامل امتصاصية 0.92 ومحاط بأسطوانة من الزجاج الشفاف بقطر خارجي 60 مم وقطر داخلي 54 مم وطول 1100 مم ومعامل انتقالية 0.90. العمود الحلزوني الدوّار مصنوع من الصلب بقطر 26 مم وخطوة 48 مم وطول الحلزون 1200 مم وطول كلي 1585 مم وسمك السنة 8 مم وعمق السنة 6.5 مم ومثبّت مركزياً داخل انبوب المستقبل ويتم دورانه بواسطة موتور متصل بصندوق تروس لتغيير سرعة الدوران. (2) نظام دوران الماء يتم بواسطة مضخة قدرتها 225 وات تستخدم لسحب الماء من خزان سعته 6 لتر وضخه داخل المستقبل ثم يعود الماء مرة أخرى إلى الخزان. (3) نظام تتبع شمسي ذو محور مفرد يستخدم لتوجيه المجمع الحوضي لالتقاط الاشعاع الشمسي وتتبع حركة الشمس حيث تم توجيه محور المجمع الحوضي في اتجاه الجنوب الشمال وتتبع حركة الشمس يكون من الشرق إلى الغرب. تم تزويد جهاز الاختبار بأدوات القياس الآتية : مجموعة من الثرموكابل لقياس درجات حرارة الماء عند مدخل ومخرج المستقبل وداخل الخزان ودرجة الحرارة المتوسطة لسطح المستقبل ودرجة حرارة الجو المحيط وكل أسلاك الثرموكابل متصلة بمسجل بيانات مقياس رقمي لقياس شدة الإشعاع الشمسي الكلي. روتاميتر لقياس معدّل سريان الماء داخل المستقبل. عدد 3 مقياس ضغط لقياس فرق الضغط على أنبوب المستقبل. مقياس رقمي لقياس سرعة دوران العمود الحلزوني. مقياس رقمي لقياس شدة التيار والجهد على موتور دوران العمود الحلزوني. الاختبارات التجريبية تمت في الهواء الطلق في مدينة القاهرة (30o 02’ N , 31o 14’ E ) خلال 25 يوماً بسماء صافية في شهور يونيو ويوليو واغسطس عام 2021. الاختبارات تمت لثلاث حالات للمستقبل هي : مستقبل بدون عمود حلزوني، مستقبل مزوّد بعمود حلزوني ثابت، ومستقبل مزوّد بعمود حلزوني دوّار. تم إجراء الاختبارات مع معدلات مختلفة لتدفق الماء هي 0.5 ، 1، 1.5 ،2 ، 2.5 لتر/ دقيقة ومع سرعات دوران مختلفة للعمود الحلزوني هي 4 ، 11 ، 21 لفة/ دقيقة. وتم تسجيل قراءات درجات الحرارة وشدة الاشعاع الشمسي كل 15 دقيقة من الساعة 10:00 إلى الساعة 16:30. المعاملات المقاسة وهي درجات حرارة الماء عند مدخل ومخرج المستقبل، ودرجة الحرارة المتوسطة لسطح المستقبل، ودرجة حرارة الجو المحيط، وشدة الإشعاع الشمسي الكلي، ومعدّل سريان الماء داخل المستقبل، وسرعة دوران العمود الحلزوني، وفرق الضغط بين مدخل ومخرج انبوب المستقبل، تم استخدامها في حساب المعاملات الهيدروليكية وهي رقم رينولد ومعامل الاحتكاك، ومعاملات انتقال الحرارة وهي معامل انتقال الحرارة ورقم نسلت، ومعاملات الأداء وهي معامل التحسين الحراري، والكفاءة الحرارية والكفاءة الكلية وكفاءة الأكسيرجي للمجمع الشمسي الحوضي. في الدراسة العددية تم استنباط نموذج رياضي يصف السلوك الهيدروليكي والحراري لسريان الماء داخل المستقبل. وتم أستخدام البرنامج التجاري ANSYS FLUENT 2021R1 في حل معادلات النموذج الرياضي وعمل المحاكاة العددية لأداء المجمع الشمسي عند معدل سريان للماء مقداره 1 لتر/ دقيقة وفيض حراري شمسي مقداره 1000 وات/ م2 مع سرعات دوران مختلفة للعمود قيمتها 4 ، 11 ، 21 ، 30 ، 40 ، 50 لفة/ دقيقة. المحاكاة العددية تمت لحالتين للمستقبل هي: مستقبل مزود بعمود حلزوني دوّار، ومستقبل مزود بعمود أملس دوّار. وتم التأكد من صلاحية النموذج الرياضي بمقارنة نتائجه مع نتائج الاختبارات التجريبية. تم اجراء مقارنة بين النتائج التجريبية والعددية للدراسة الحالية مع نتائج دراسات الآخرين لإدخالات أخرى متنوعة. والمقارنة تمت من حيث نسبة الكفاءة الحرارية ورقم نسلت ونسبة الاحتكاك. وللحكم على تقنية التحسين المقترحة تم إجراء دراسة اقتصادية لحالات المستقبل الثلاثة على أساس التكلفة السنوية للحرارة المفيدة لكل كيلوات ساعة. من هذه الدراسة، تم استخلاص الاستنتاجات التالية : 1. أظهرت الاختبارات التجريبية ما يلي : أ- تزداد الكفاءة الحرارية ، وقوة الضخ، والكفاءة الكلية، وكفاءة الاكسيرجي مع زيادة معدل تدفق المياه وسرعة دوران العمود الحلزوني. ب- تتناقص النسبة المئوية للزيادة في كل من الكفاءة الحرارية والكفاءة الكلية وكفاءة الاكسيرجي والنسبة المئوية للزيادة في قدرة الضخ مع زيادة معدل تدفق المياه. ت- استنادًا إلى مفهوم معامل التحسين الحراري (TEF) ، يحدث الحد الأقصى من تحسين الأداء عند معدل تدفق مياه يبلغ 1 لتر/ دقيقة وسرعة دوران للعمود الحلزوني تبلغ 21 لفة في الدقيقة ، وتبلغ نسبة التحسين في الكفاءة الحرارية والكفاءة الكلية 38٪ و 21٪ على التوالي. 2. أظهرت الدراسة العددية أن : أ- تنبؤات النموذج الرياضي متوافقة بشكل معقول مع نتائج الاختبارات التجريبية. على سبيل المثال، متوسط الفروق لدرجة حرارة المخرج ورقم نسلت وعامل الاحتكاك هو 2.55٪ و 11.29٪ و 12.47٪ على التوالي للعمود الحلزوني الثابت، بينما متوسط الفروق لنفس المعاملات هو 3.17٪ ، 9.03٪، و 10.37٪ على التوالي للعمود الحلزوني الدوار 21 لفة في الدقيقة. ب- القيمة القصوى لمعامل التحسين الحراري (TEF) هي 1.19، حدثت عند سرعة دوران للعمود الحلزوني 30 دورة في الدقيقة، وتبلغ نسبة التحسين في الكفاءة الحرارية حوالي 48.5٪. 3. أثبتت مقارنة النتائج التجريبية والعددية للدراسة الحالية مع نتائج دراسات أخرى لإدخالات أخرى مختلفة قيمة استخدام عمود حلزوني دوّار كوسيلة فعالة لتحسين انتقال الحرارة وأداء مستقبل المجمع الشمسي الحوض ذو القطع المكافئ. 4. أظهرت الدراسة الاقتصادية أن التكلفة السنوية للحرارة المفيدة لكل كيلو وات ساعة للعمود الحلزوني الدوار (0.052 دولار أمريكي) أقل من العمود الحلزوني الثابت (0.059 دولار أمريكي) عند القيمة القصوى لمعامل التعزيز الحراري. الرسالة تحتوي على سبعة أبواب، وثلاث ملحقات كما يلي : الفصل الأول : مقدمة وهدف الدراسة يغطي هذا الفصل مقدمة علمية لهذا العمل، تتضمن نبذة مختصرة عن أهمية الطاقة الشمسية ، وتصنيفًا لمجمعات الطاقة الشمسية، ونظرة عامة موجزة على تطبيقات المجمع الشمسي الحوضي، وعرضًا لمكوناته الرئيسية ، و تقنيات تحسين أداءه، وأخيراً شرح هدف الدراسة ومنهجيتها. الفصل الثاني : مراجعة الأبحاث السابقة يغطي هذا الفصل الأنواع المختلفة للإدخالات داخل أنبوب استقبال المجمع الشمسي الحوضي، وعرضًا شاملاً للبحوث السابقة حول كل نوع من الادخالات ، وأهمية كل بحث وموضوعه، وملخصًا إحصائيًا لمراجعة الأبحاث السابقة. الفصل الثالث : العمل التجريبي يغطي هذا الفصل جهاز الاختبار التجريبي، ووصف النظام ومكوناته، وأدوات القياس المستخدمة للقياسات المطلوبة، وإجراءات اختبار أداء المجمع الشمسي الحوضي، وأخيرًا، طريقة حساب معاملات تدفق السوائل وانتقال الحرارة (معامل الاحتكاك، رقم رينولدز، رقم نسلت، معامل التحسين الحراري) ومعاملات الأداء (الكفاءة الحرارية، الكفاءة الكلية، وكفاءة الاكسيرجي) التي تستخدم لتقييم أداء المجمع الشمسي الحوضي.الفصل الرابع : النموذج الحسابي يشرح هذا الفصل النموذج الرياضي المدمج في البرنامج التجاري ””ANSYS FLUENT 2022 R1”” والذي تم استخدامه لإجراء الدراسة العددية. الفصل الخامس : النتائج والمناقشة تم في هذا الفصل عرض ومناقشة نتائج الاختبارات التجريبية، والتحقق من صحة نتائج النموذج الرياضي. بعد ذلك، تم عرض نتائج الدراسة العددية وتحليلها ومناقشتها. أخيرًا، تم تقديم مقارنة بين العمل الحالي وأنواع مختلفة من الإدخالات من حيث نسبة الكفاءة الحرارية ونسبة عدد نسلت ونسبة الاحتكاك. الفصل السادس : التحليل الاقتصادي في هذا الفصل، تم إجراء دراسة اقتصادية للحالات الثلاثة لمستقبل المجمع الشمسي الحوضي بناءً على التكلفة السنوية للحرارة المفيدة لكل كيلو وات ساعة وذلك للحكم على تقنية التحسين المقترحة. الفصل السابع : الاستنتاجات والتوصيات يقدم هذا الفصل ملخص شامل للدراسة المقدمّة، وعرض أهم الاستنتاجات المستخلصة من النتائج المعروضة في الفصل الخامس. الملحق A : نماذج من البيانات التجريبية المقاسة في هذا الملحق، يتم تقديم عينات من البيانات التجريبية المقاسة. الملحق B : الزوايا الشمسية ومكونات الإشعاع في هذا الملحق، يتم عرض المعادلات المستخدمة لتحديد الزوايا الشمسية ومكونات الإشعاع الشمسي. الملحق C : تحليل الأخطاء في هذا الملحق، يتم إجراء تحليل للخطأ في البيانات المقاسة والمحسوبة.