การวิเคราะห์แผงผลิตน้ำร้อนจากวัสดุโพลิเมอร์โดยวิธีพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ

Abstract

แผงผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์จากวัสดุโพลิเมอร์ถูกใช้เพื่อทดแทนแผงผลิตน้ำร้อนทำจากโลหะเนื่องจากมีสมบัติทางกลและกายภาพที่ดีทำให้สามารถผลิตแผงที่มีน้ำหนักเบา ราคาถูกและไม่กัดกร่อน ในการหาประสิทธิภาพของตัวดูดซับแสงอาทิตย์จากวัสดุโพลิเมอร์ได้นำพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณมาใช้เพื่อบอกลักษณะการไหลของของเหลวและการกระจายอุณหภูมิ ค่าที่ได้จะทำการเปรียบเทียบกับการทดลองจริงตามมาตรฐาน ASHRAE Standard 93-77 วัสดุโพลิเมอร์ที่ใช้ในการวิจัยนี้คือ พีพี-อาร์ พีวีซี และพีวีซี-บี การออกแบบแผงให้มีพื้นที่ รับรังสีแสงอาทิตย์เป็น 2 m2 ตัวแผงเอียงทำมุม 14 องศากับพื้น ส่วนการออกแบบคำนวณ CFD โดย Flow Simulation Ver.2011 เงื่อนไขที่ใช้ในการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ คืออัตราการไหลเชิงมวลของน้ำที่เข้าแผงรับความร้อนอยู่ที่ 0.02 kg/s อุณหภูมิของน้ำทางเข้า 303 K และการถ่ายเทความร้อนระหว่างผิวท่อด้านนอกกับอากาศแวดล้อม 10 W/m2·K ผลลัพธ์ค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิน้ำเข้าและน้ำออกที่ได้นำมาเปรียบเทียบกับการทดลองจริงพบว่าแผงผลิตน้ำร้อน 3 ชนิด คือ พีพี-อาร์ พีวีซี และพีวีซี-บี ให้ผลต่างอุณหภูมิจากการจำลองคือ 6.5 7.8 และ 9.4 K ในขณะที่จากการทดลองจริงคือ 9.5 9.9 และ 11.8 K ตามลำดับ ค่าที่ได้จากการจำลองสอดคล้องกับการทดลองจริงถึงแม้ว่าค่าที่ได้จะต่ำกว่าเล็กน้อย ผลจากการจำลองทางคณิตศาสตร์สามารถทำนายการกระจายตัวของอุณหภูมิได้ คือ บริเวณด้านข้างจะมีอุณหภูมิต่ำและบริเวณตรงกลางมีการกระจายตัวของอุณหภูมิสูงและเป็นรูปโค้ง เสนอแนะว่าการจำลองทางคณิตศาสตร์เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการพัฒนาต่อเพื่อแก้ปัญหาที่จะเกิดจากแผงผลิตน้ำร้อนทำจากวัสดุโพลิเมอร์

Polymeric solar collectors were been used to replace a typical metal collector because their mechanical and physical properties make the volume production of lightweight, low cost and corrosion resistance. To investigate the performance of polymer collector, computation fluid dynamics (CFD) techniques was applied to obtain characteristics of fluid flow including temperature distribution. Validation of the CFD model was performed by comparing with experimental data according to standard test method of ASHRAE Standard 93 –77. The polypropylene random copolymer (PP-R), polyvinyl chloride (PVC) and polyvinyl chloride-black (PVC-B) were used in this study. The collector with total area 2 m2 and angle of 14 degree to the horizontal were implemented. The design grid and CFD were performed with Flow Simulation Ver.2011. The boundary conditions for CFD computation were mass flow rate of 0.02 kg/s, water inlet temperature of 303 K and convection heat transfer coefficient of 10 W/m2·K. The difference between the inlet and outlet water temperature of polymer collectors were recorded both with CFD and experimental. It was found that the different temperatures of PP-R, PVC and PVC-B collectors for CFD computation were 6.5, 7.8 and 9.4 K while the experimental results were 9.5, 9.9 and 11.8 K, respectively. The CFD results of all collectors were in good agreement with the experiment, although CFD results were lower than the actual values. The CFD qualitatively predicts the temperature distribution of the collector, i.e. low temperature at the sides and wavy pattern with high temperature at the middle. Suggestively, the CFD model is a useful tool for further investigations to optimize of the problematic polymeric solar collector.