دراسة تأثير خصائص الشكل الهندسي للسطح الساخن في كفاءة تحويل الطاقة والأداء الحراري لفرن شمسي مزود بعدسة فريسنل

اسم الباحث:م.باسل محمد سمير باكير

عنوان البحث:

دراسة تأثير خصائص الشكل الهندسي للسطح الساخن في كفاءة تحويل الطاقة والأداء الحراري لفرن شمسي مزود بعدسة فريسنل

عنوان البحث باللغة الانكليزية :

Studying the Effect of Geometrical Shape Properties of the Hot Surface on Energy Conversion Efficiency and Thermal Performance of a Solar Oven Provided with Fresnel lens

اسم المشرف :د. م. محمد باكير

العام:2021

القسم:هندسة القوى الميكانيكية

الملخص:

تضمَّن العمل اقتراح تصميم جديد لفرن شمسي يستخدم عدسة فريسنل كمجمع شمسي تركيزي. تم اقتراح هذا التصميم بعد إجراء دراسة مرجعية شاملة عن الطباخات الشمسية وتطورها، والتي تضمنت مختلف أنواع الطباخات والاعتبارات التصميمية والبارامترات الرئيسية المؤثرة في أدائها، إضافةً إلى مبادئ الطهي ومتطلبات الطباخ الشمسي. من أهم ميزات هذا الفرن أنه يعتمد في تسخين وعاء الطهي على التوصيل الحراري من الأسفل عبر الصفيحة الماصة.

تم استخدام النمذجة والمحاكاة في برنامج Matlab, Simulink بغرض التنبؤ بالسلوك الحراري للفرن المقترح في ظل ظروف مناخية وبارامترات تشغيلية محددة وتقييم أدائه من خلال مجموعة مؤشرات ومقارنته بأداء تصاميم سابقة بهدف إبراز كفائته. تضمنت عملية النمذجة توصيفاً مفصلاً لنظام الفرن مع شرح لنموذجه الفيزيائي وتقديم نموذجه الرياضي اعتماداً على معادلات التوازن الحراري لمكوناته. النموذج المعتمد هو نموذج ديناميكي من نوع البارامتر الإجمالي، تتغير فيه قيم الخصائص الفيزيائية للهواء الداخلي وسوائل الطهي وقيم معاملات انتقال الحرارة بالحمل الحر بتغير درجة الحرارة مع الزمن.

سمحت عملية المحاكاة بشرح النظام والتنبؤ باستجابته الحرارية وإجراء دراسة تحليلية قيّمة له، وأعطت القدرة على معرفة تغير أي بارامتر من بارامترات النموذج مع الزمن، سواءً درجة حرارة أو معدل انتقال حرارة أو معامل انتقال حرارة وغيرها، كما أعطت فهماً أعمق للعمليات ذات الصلة ولكيفية تفاعل بعض مكونات الفرن حرارياً مع بعض ومع الوسط المحيط، مما ساعد في توجيه الدراسة وتحديد نقاط الضعف وبالتالي معالجتها بطريقة اقتصادية وآمنة. بعد ذلك تم توجيه الدراسة نحو أهم مكون من مكونات الفرن ألا وهو السطح الساخن (الصفيحة الماصة) ودراسة تأثير شكله الهندسي وخصائصه في تحسين كفاءة تحويل الطاقة والأداء الحراري للفرن الشمسي المقترح.

من أهم النتائج التي تم التوصل إليها في البحث أن تعديل الشكل الهندسي للصفيحة الماصة بغرض زيادة مساحة سطح التبادل الحراري بينها وبين وعاء الطهي كان له أثر بسيط في تحسين أداء الفرن، في حين أن تعديل إحدى خصائص الصفيحة كان له أثر واضح في تحسين الأداء، هذه الخاصية هي إصدارية الصفيحة الماصة والتي تم تخفيضها عن طريق استخدام صفيحة لامعة بؤرتها المحرقية فقط مطلية باللون الأسود.

والمنتج النهائي هو فرن شمسي قادر على غلي 7 [kg] من الماء خلال 1.37 [h] بكفاءة إجمالية للفرن 68.96% وللنظام (الفرن مع المجمع الشمسي) 64.13%، وقادر على تسخين 7 [kg] من زيت دوار الشمس إلى درجة حرارة 250 [^oC] خلال 2.8 [h] بكفاءة إجمالية للفرن 63.62% وللنظام 59.17%، وهو بهذه المؤشرات يتفوق بشكل ملحوظ على تصاميم الأفران والطباخات السابقة.

التحميل