Atit, Koonsrisuk

Suranaree University of Technology Intellectual Repository

อาทิตย  คูณศรีสุข : การวิเคราะหการไหลในระบบปลองลมแดดเพื่อหาแนวทางออกแบบใหไดประสิทธิภาพสูงสุด (ANALYSIS OF FLOW IN SOLAR CHIMNEY FOR AN OPTIMAL DESIGN PURPOSE) อาจารยที่ปรึกษา : รองศาสตราจารย ดร.ทวิช   จิตรสมบูรณ, 278 หนา  รายงานวิจัยนี้ศึกษาการไหลในระบบปลองลมแดด  ซ่ึงเปนอุปกรณที่ใชแสงแดดสรางการไหลของลมขึ้นภายในระบบ  จากนั้นใชกังหันเทอรไบนเปลี่ยนรูปพลังงานของกระแสลมไปเปนกระแสไฟฟา  จุดประสงคหลักของงานวิจัยนี้เพื่อหาทางเพิ่มประสิทธิภาพใหระบบ  โดยศึกษาลักษณะการทํางานที่เหมาะสมสําหรับปลองลมแดดเพื่อหาแนวทางการออกแบบใหไดประสิทธิภาพสูงสุด ในชวงตนของการศึกษานี้  ไดใชการวิเคราะหมิติ (dimensional analysis) เพื่อหาตัวแปรไรมิติ (dimensionless variables) ที่สําคัญสําหรับการไหลในระบบปลองลมแดด  เพื่อชวยในการออกแบบการทดลอง  ที่สามารถใชขอมูลที่ทดสอบจากแบบจําลองระบบปลองลมแดดขนาดเล็ก  ในการทํานายผลที่จะเกิดขึ้นในโรงงานตนแบบปลองลมแดดได  จากการศึกษาพบวา  เมื่อแบบจําลองขนาดเล็ก (model) มีความเสมือนทางดานรูปทรง (geometric similarity) กับโรงงานตนแบบ (prototype)  ระบบทั้งสองจะมีความเสมือนทางดานพลศาสตร (dynamic similarity) ก็ตอเมื่อ  คาความเขมแสงแดด (insolation) ของระบบทั้งสองตองไมเทากัน  ซ่ึงเปนสภาวะที่ทําไดยากในทางปฏิบัติ   อยางไรก็ตาม  ในการศึกษาที่บังคับใหคาความเขมแสงแดดของระบบทั้งสองตองเทากันพบวา  ระบบทั้งสองสามารถมีความเสมือนทางดานพลศาสตรได  หากระบบทั้งสองมีความเสมือนทางดานรูปทรงเพียงบางสวน (partial geometric similarity)  กลาวคือ  รัศมีหลังคารับแดด (solar collector) ของแบบจําลองตองสั้นกวาที่ควรจะเปนสําหรับแบบจําลองที่มีความเสมือนทางดานรูปทรงกับโรงงานตนแบบ   ในการตรวจสอบความถูกตองของผล ที่ไดจากการวิเคราะหมิตินี้  ผูวิจัยไดใชการคํานวณเชิงตัวเลข (numerical method) เพื่อหาคาคุณสมบัติการไหล (flow properties) ในระบบ  แลวนําผลที่ไดมาคํานวณหาคาตัวแปรไรมิติ  ซ่ึงผลการคํานวณยืนยันความนาเชื่อถือท่ีพบในการศึกษานี้  และจากรูปแบบความสัมพันธระหวางตัวแปรไรมิติที่คนพบในครั้งนี้   ไดนําไปสูการยุบรวมตัวแปรที่สําคัญของระบบทั้งหมดไดเปนตัวแปรไรมิติเพียงหนึ่งตัวแปร  ซ่ึงจากผลการคํานวณเชิงตัวเลขและผลการทดลองจากโรงงานตนแบบที่ไดเคยมีการสรางไวจริงที่ประเทศสเปนพบวา  คาตัวแปรไรมิติตัวใหมที่พบนี้มีคาประมาณ 1 สําหรับแบบจําลองทุกขนาดที่มีการตรวจสอบ     II จากนั้นไดนําผลที่ตัวแปรไรมิติมีคาเทากับ 1 นี้  ไปสรางเปนแบบจําลองคณิตศาสตร(mathematical model) เพื่อใชประเมินศักยภาพของระบบปลองลมแดด  และใชเปรียบเทียบกับผลการคํานวณของแบบจําลองคณิตศาสตรที่นักวิจัยทานอื่นไดพัฒนาไวอีกจํานวน 5 แบบจําลอง  โดยในการคํานวณนี้ไดศึกษาผลกระทบเมื่อขนาดของโรงงาน ไดแก รัศมีกับความสูงของหลังคารับแดด และรัศมีกับความสูงของปลองลมเปลี่ยนไป  รวมทั้งผลกระทบเมื่อความเขมแสงแดดเปลี่ยนไปดวย  เมื่อเปรียบเทียบผลการคํานวณทั้งหมดกับผลการคํานวณเชิงตัวเลขจากโปรแกรมสําเร็จรูป  พบวาแตละแบบจําลองมีขอดี-ขอเสียตางกันไป ซ่ึงในการศึกษานี้ไดใหคําแนะนําในการเลือกใชแบบจําลองที่เหมาะสมไวดวย เมื่อไดศึกษาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงขนาดหนาตัดการไหลโดยใชแบบจําลองคณิตศาสตรรวมกับการคํานวณเชิงตัวเลขพบวา  เมื่ออัตราสวนระหวางพื้นที่หนาตัดของหลังคารับแดดที่ทางเขาตอดวยที่ทางออกมีคานอยกวา 1 จะสามารถเพิ่มศักยภาพใหระบบได  และเมื่ออัตราสวนระหวางพื้นที่หนาตัดของปลองลมที่ทางออกตอดวยที่ทางเขามีคามากกวา 1 ศักยภาพของระบบก็เพิ่มขึ้นเชนกัน และสําหรับระบบที่ใชหลังคารับแดดที่มีอัตราสวนระหวางพื้นที่หนาตัดที่ทางเขาตอดวยที่ทางออกมีคานอยกวา 1 รวมกับปลองลมที่มีอัตราสวนระหวางพื้นที่หนาตัดที่ทางออกตอดวยที่ทางเขามีคามากกวา 16 พบวาคาศักยภาพของระบบเพิ่มขึ้นหลายรอยเทาจากระบบปกติที่ใชกัน ในการศึกษาที่กลาวมาแลวนั้น  เนื่องจากเปนการประเมินศักยภาพของระบบจึงยงัไมไดรวมกังหันเทอรไบนไวในการศึกษา และเมื่อไดมีการพัฒนาแบบจําลองคณิตศาสตรที่รวมกังหันเทอรไบนไวดวย  พบวา คาอัตราสวนระหวางความดันที่กังหันเทอรไบนดูดซับไวไดตอดวยความดันรวมที่เกิดขึ้นในระบบมีคาเทากับ 2/3  สําหรับระบบที่กําหนดใหความดันรวมดังกลาวนี้มีคาคงที่ไมขึ้นกับความดันที่กังหันเทอรไบนดูดซับไวได แตสําหรับระบบที่ใหความดันรวมแปรผันไดตามความดันที่กังหันเทอรไบนดูดซับพบวา  คาอัตราสวนของความดันดังกลาวนั้นมีคาเปลี่ยนแปลงขึ้นกับขนาดโรงงานและความเขมแสงแดด เพื่อจะประเมินผลการศึกษาเชิงทฤษฎีและเชิงตัวเลข   ไดมีการสรางแบบจําลองขนาดเล็กของระบบปลองลมแดดที่ไมมีกังหันเทอรไบนขึ้นจํานวน 4 ชุดที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี  อ.เมือง  จ.นครราชสีมา  พบวาผลการทดลองมีคาตางไปจากคาที่ทํานายไว  แตมีแนวโนมของขอมูลเหมือนที่ทํานายไว   ซ่ึงคาดวาเปนผลเนื่องจากความเขมแสงแดดที่ไมคงที่ขณะทําการทดลองและเนื่องจากระบบมีหลังคาที่เล็กไปเมื่อเทียบกับขนาดของปลองลม   นอกจากนี้ คาตัวแปรไรมิติที่คํานวณจากชุดทดลองที่ออกแบบใหมีความเสมือนกันทางพลศาสตร ก็มีความตางกันซึ่งคาดวาเปนผลเนื่องจากความผันแปรของสภาพอากาศขณะวัดผล ATIT  KOONSRISUK : ANALYSIS OF FLOW IN SOLAR CHIMNEY FOR AN OPTIMAL DESIGN PURPOSE.  THESIS ADVISOR : ASSOC. PROF. TAWIT  CHITSOMBOON, Ph.D., 278 PP.  SOLAR CHIMNEY/SOLAR TOWER/DIMENSIONAL ANALYSIS/GEOMETRIC EFFECTS/THEORETICAL MODEL/SOLAR ENERGY/CONSTRUCTAL DESIGN/NATURAL CONVECTION.  The thesis studies flow in a solar chimney, a device for generating electricity from solar energy by means of a turbine extracting the flow energy from the hot air rising through a tall chimney with the ultimate goal of a better design to obtain a higher efficiency. Operating characteristics that are significant to the flow in solar chimney are sought and studied to aid in the optimization of solar chimney design.  Dimensional analysis is applied to determine the dimensionless variables to guide the experimental study of flow in a small-scale solar chimney model. The study shows that if the model is required to be geometrically similar to the prototype, then the dynamic similarity condition requires the solar heat fluxes of the two cases to be different, an inconvenient requirement in an experimental setup. Further study shows that, to achieve the same-heat-flux condition, the roof radius between the prototype and its scaled models must be dissimilar, while all other remaining dimensions of the models remain similar to those of the prototype. The functional relationship obtained suggests that it would be possible to group all the relevant variables into a single dimensionless product. Three physical configurations of the plant were numerically tested for similarity: fully geometrically similar, partially geometrically similar, and dissimilar types. The values of the proposed single dimensionless variable for all these   V cases are found to be nominally equal to unity. The value for the physical plant actually built and tested previously is also evaluated and found to be about the same as that of the numerical simulations, suggesting the validity of the proposition.   Moreover, the study compares the predictions of performances of solar chimney power plants by using five theoretical models that have been proposed in the literature. The parameters used in the study are various plant geometrical parameters and the solar heat flux. Numerical results from the carefully calibrated CFD simulations are used for comparison with the theoretical predictions. The power output and the efficiency of the solar chimney plants are used as functions of the studied parameters to compare relative merits of the five theoretical models. Models that performed better are finally recommended.   Guided by a theoretical prediction, CFD is used to investigate the changes in flow properties caused by the variation of flow area. It appears that the sloping collector affects the flow properties through the plant. The divergent-top chimney leads to significant augmentations in kinetic energy at the tower base. It is shown that the proper combination of the sloping roof and the divergent-top chimney can produce power as much as hundreds times that of the conventional solar chimney power plant.   An analytical turbine model is developed in order to evaluate the performance of the solar chimney power plant. The relationships between the ratio of the turbine pressure drop to the pressure potential (available system pressure difference), the mass flow rate, the temperature rise across the collector and the power output are presented. The model shows that, for the system with a constant pressure potential, the optimum ratio of the turbine pressure drop to the pressure potential is 2/3. For the system with 

การวิเคราะห์การไหลในระบบปล่องลมแดดเพื่อหาแนวทางออกแบบให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

http://sutir.sut.ac.th:8080/jspui/bitstream/123456789/3443/1/abstract%20all.pdf

การวิเคราะห์การไหลในระบบปล่องลมแดดเพื่อหาแนวทางออกแบบให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Suranaree University of Technology Intellectual Repository