دراسة تجريبية لتحسين التدرج الحراري ضمن تصميمين مختلفين لخزان حراري شمسي

Abstract

يُعدّ تحسين تدرج درجات حرارة الماء في الخزانات الحرارية من الأمور المهمّة التي تؤثر في الأداء الحراري للسخانات الشمسية، نظراً لإسهام التدرج الحراري الجيد في زيادة مردود المجمّع الشمسي، نتيجة إمداده بالمائع الأكثر برودة، الذي ينعكس بدوره على أداء النظام بأكمله. كما أن للتدرج الحراري الجيد في هذه الخزانات أهميته بإنقاص الحاجة إلى مصادر الطاقة التقليدية المستخدمة في السخانات الشمسية في ظروف معينة (الطقس الماطر أو الغائم، زيادة الطلب على الماء الساخن غير المتوافر بشكل كافٍ في الخزان لسد حاجة المستهلك). من هنا أتت فكرة هذا البحث بدراسة هذه الظاهرة تجريبياً، وذلك من خلال تصميم لخزان حراري ذي مبادل حراري خارجي، على شكل قميص ذي مداخل متعددة لمائع الدارة الرئيسية إليه، مزودة بصمامات كهربائية. كما قمنا بتصميم خزان حراري تقليدي ذي مبادل حراري أنبوبي داخلي، من أجل مقارنة التدرج الحراري من خلال دراسة تجريبية على كلا الخزانين في ظروف عمل مختلفة. تضمن البحث أيضاً تصميم معالج معطيات (Data Logger) للتحكّم في بعض أجزاء دارة السخان الشمسي، ولقراءة بعض المعطيات ومعالجتها وتخزينها (درجات الحرارة في مواقع مختلفة من الدارة، حالة مضخة تدوير الدارة الرئيسية، حالة الصمامات الكهربائية،.....الخ). أظهرت النتائج التجريبية المنجزة فعّالية الخزان الحراري ذي المبادل الخارجي من نوع القميص في تحقيق التدرج الحراري في ظروف الطقس الغائم جزئياً، بينما كانت الفعّالية أكبر للخزان الحراري ذي المبادل الأنبوبي الداخلي في ظروف الطقس المشمس.

Improving the temperature stratification in thermal storage tanks is considered so important in affecting thermal performance in solar water heating, because good thermal stratification contributes to increasing the efficiency of the solar collector (by supplying the collector with colder water). This, in turn, will lead to improve the work of the whole system. Thermal stratification phenomenon is also important in its ability to lessen the need for the traditional sources of energy which are used in the traditional solar tanks, as in special circumstances such as on rainy or cloudy day, when the necessity for hot water, insufficient to meet this need, increases.

The idea of this research emerged from the previous study: studying this    phenomenon  experimentally in a thermal storage tank that will be designed, the   thermal storage tank of the kind  mantle tank with three-way electric valves that can be associated to a mantle heat exchanger into which the fluid is injected at the correct level. We also designed a traditional solar storage tank with internal thermal coil exchanger to  compare the thermal stratification through experimental study on both of them in different circumstances .The research includes designing a (Data Logger) to control  some parts of a solar water heating , to read, process, and store data (temperature in different parts of the system, the condition of the pump that circulates water in the main circuit, the condition of the three electric valves, etc). The achieved, experimental results showed the efficiency of the thermal storage tank of the kind  mantle tank in realizing the thermal stratification, in partly cloudy weather, while the efficiency was higher for the traditional solar storage tank in the sunny weather.