Analysis and optimization of heat transfer in receiver on line focusing concentrating solar thermal system
Creators: name: Khalil, Munawwar
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: concentrating solar thermal
subject: heat transfer optimization
subject: CFD
subject: Nusselt number
subject: performance evaluation criteria

description: Concentrating solar thermal energy is of paramount importance to future energy since it is abundant in amount, pollutant free energy source, and compatibility in power plant industry. Receiver is a crucial component of solar thermal technology converting radiation to thermal energy. Improving thermal performance of receiver can be performed by changing surface structure to increase convective heat transfer process and reduces its thermal stress due to high absorber temperature. Existing heat transfer augmentation design can improve heat transfer process but at the same time, they generate large pressure drop due to these enhancement which will reduce overall efficiency between heat transfer and pressure drop indicated by low performance evaluation criteria. In this study, new structure namely corrugated circular dimple absorber pipe is de- signed to increase heat transfer performance with minimal increase of pressure drop. Computational fluid dynamics analysis is conducted by using ANSYS software to study fluid outlet temperature, receiver temperature distribution, Nusselt number, convective heat transfer coefficient, heat loss, pressure drop, and performance evaluation criteria. Heat transfer working fluids are compressed water, Therminol VP-1, and Syltherm 800 thermal oil widely used in concentrating solar thermal power plant. The mass flow rate values are between 0.3 - 4 kg/s, inlet temperatures of heat transfer working fluid are 375 K and 650 K, concentrating heat flux is 100,000 W/m^2. Simulation results showed that corrugated circular dimple absorber can improve fluid outlet temperature of Syltherm 800 thermal oil over 4 m length by 8 K at 0.3 kg/s, and inlet temperature 375 K compared to smooth absorber. This energy gain is achieved from lower specific heat loss to ambient due to higher Nusselt number. Increasing heat transfer working fluid temperature to 650 K will reduce thermal energy output since the specific heat loss increases from 137 W/m to 644 W/m due to radiation at higher temperature and emissivity value. Nusselt number will increase from 230 to 521 and maximum absorber temperature decreases from 1036 K to 970 K. The specific pressure drop rises from 11 Pa/m in smooth absorber to 41 Pa/m in corrugated circular dimple absorber due to surface changes, but the performance evaluation criteria is at 1.31 which indicates better heat transfer performance than generated pressure drop penalty. In case of compressed water, new absorber design does not show significant improvement in fluid outlet temperature, but it can reduce maximum absorber temperature to suppress thermal stress.
description: Die konzentrierende Solarthermie ist von größter Bedeutung für die Energie der Zukunft, da es reichlich in Menge, schadstofffreier Energiequelle und Verträglichkeit in der Kraftwerksindustrie ist. Der Absorber ist eine entscheidende Komponente der Solarthermie-Technologie, weil er die Strahlung in die thermische Energie umwandelt. Verbesserung der thermischen Leistung des Absorbers kann durch Änderungen der Oberflächenstruktur durchgeführt werden, um die konvektive Wärmeübertragung zu erhöhen und reduziert seine thermische Belastung wegen hoher Absorbertemperatur. Bestehende Wärmeübertragungsaugmentationdesigns können den Wärmeübertragungsprozess verbessern, aber am Gleichzeitig erzeugen sie aufgrund dieser Verstärkung einen großen Druckabfall. In dieser Studie wird eine neue Struktur, nämlich ein gewelltes Absorber mit runden Vertiefungen (CCD), entwickelt, um die Wärmeübertragungsleistung bei minimaler Erhöhung des Druckabfalls zu erhöhen. Computational Fluid Dynamics Analysis wird unter Verwendung der ANSYS-Software durchgeführt, dass die Flüssigkeitsauslasstemperatur, die Temperaturverteilung des Absorbers, die Nusselt-Zahl, konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, Wärmeverlust, Druckabfall und Leistungsbewertungkriterien (PEC) untersucht werden. Arbeitsmedien für die Wärmeübertragung sind Druckwasser, Therminol VP-1, und Syltherm 800 Thermoöl, dass sie in konzentrierenden solarthermischen Kraftwerken weit verbreitet werden. Die Massenstromwerte liegen zwischen 0,3 - 4 kg s−1, Eintrittstemperaturen der Arbeitsmedium sind 375K und 650 K, und der konzentrierter Wärmefluss ist 100,000W m−2. Simulationsergebnisse zeigten, dass CCD Austrittstemperatur von Thermalöl Syltherm 800 über 4m Länge um 8K bei 0,3 kg s−1, und Eintrittstemperatur 375K im Vergleich zum glatten Absorber verbessert werden kann. Dieser Energiegewinn ist erreicht durch einen geringeren spezifischen Wärmeverlust an die Umgebung aufgrund einer höheren Nusselt-Zahl. Eine Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmediums für die Wärmeübertragung auf 650 K verringert die Wärme Energieabgabe, da der spezifische Wärmeverlust von 137W m −1 auf 644W m −1 ansteigt gegenüber Strahlung bei höherer Temperatur und höherem Emissionswert. Die Nusselt-Zahl wird von 230 auf 521 steigen und die maximale Absorbertemperatur sinkt von 1036K auf 970 K. Der spezifische Druckverlust steigt von 11Pam−1 im glatten Absorber auf 41Pam −1 an in CCD Absorber aufgrund von Oberflächenänderungen, aber PEC liegt bei 1,31, was eine bessere Wärmemeübertragungsleistung als anzeigt erzeugte Druckabfallstrafe. Bei Druckwasser neues Absorberdesign zeigt keine signifikante Verbesserung der Flüssigkeitsauslasstemperatur, kann sich aber verringern maximale Absorbertemperatur, um thermischen Stress zu unterdrücken.