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Étude numérique de l'écoulement dans un collecteur solaire à tubes sous vide ouverts des deux côtés

Boukadida, Mohamed (2015). Étude numérique de l'écoulement dans un collecteur solaire à tubes sous vide ouverts des deux côtés. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le Canada possède un potentiel d’ensoleillement important, ce qui permet de prévoir des installations solaires à travers tout le pays. En outre, 80% de la consommation d’énergie résidentielle est consacrée à la production de chaleur pour l’eau chaude domestique et au chauffage des locaux (Sibbitt et al., 2007). Cette production de chaleur pourrait être fournie par des collecteurs solaires à tubes sous vide qui ont de meilleures performances que celles des collecteurs solaires plans lorsque la température est supérieure à 70-80 oC dû à leur forte isolation.

L’objectif principal de ce travail est d’étudier l’écoulement d’eau dans un collecteur solaire à tubes sous vide ouverts aux deux extrémités. L’étude est faite numériquement à l’aide du logiciel ANSYS Fluent 14.0. Le fluide entre par un plénum froid, se partage dans les différents tubes sous vide pour se chauffer par le rayonnement solaire incident, et finit par sortir à travers un plénum chaud. La faiblesse de ce modèle de collecteur de base est qu’il n’offre pas un partage équilibré de l’eau dans les différents tubes sous vide.

Avant de discuter les résultats de prédiction de l’écoulement dans le collecteur solaire en question, il est nécessaire de valider l’utilisation de ce code en comparant les résultats obtenus avec d’autres résultats théoriques. Les résultats sont comparés aux résultats obtenus par Jones et Lior (1994). Un bon accord a été trouvé entre les résultats produits par les deux méthodes.

La distribution d’eau dans le collecteur solaire est quantifiée en se basant sur un paramètre Ω qui est un facteur qui "mesure" le degré d’uniformité. Pour la géométrie de base (configuration en Z) et pour un débit massique égal à 0,10 kg/s, Ω est égal à 99,17 %. Plusieurs paramètres géométriques, tel que la longueur des tubes, le rapport des diamètres, r, et l’espacement entre les tubes ont été variés pour étudier leur impact sur la distribution. Aussi, le changement des positions d’entrée et de sortie d’eau a montré que la configuration en U offre plus d’uniformité de la distribution dans le collecteur solaire.

Finalement, la solution préconisée pour améliorer davantage la distribution de l’écoulement consiste à rétrécir linéairement le plénum froid. Ainsi le facteur Ω augmente. Il passe de 99,17 % pour la géométrie de base à 99,80 %.

Titre traduit

Numerical study of flow in a solar collector using vacuum tubes opened at both ends

Résumé traduit

Canada has an important potential of solar radiation, which predicts solar installations throughout the country. In addition, 80% of residential energy used is devoted to the production of domestic hot water and space heating (Sibbitt et al., 2007). This energy could be provided by solar evacuated tube collectors which have better performance than flat plate solar collectors when temperature reaches 70-80 oC because of their high insulation.

The main objective of this work is to study the flow of water in a vacuum tube solar collector open at both ends. The study is done using ANSYS Fluent 14.0 software. The fluid enters from the cold manifold. Then it is divided in different vacuum tubes and being heated by solar radiation to finally quit through the hot manifold. The weakness of this basic model is that it does not offer a balanced distribution of water in the various vacuum tubes.

Before discussing the results predicted for the flow in the solar collector of interest, it is necessary to validate the use of the software by comparing the results obtained with other theoretical results. The results are compared to those obtained by Jones and Lior (1994). A good agreement was found between the results obtained by both methods.

The distribution of water in the solar collector is quantified based on a parameter, Ω, which is a factor that "measures" the degree of uniformity. For the basic geometry (Z-configuration) and for a mass flow equal to 0.10 kg/s, Ω is equal to 99.17 %. Several geometrical parameters, such as the length of the tubes, the diameter ratio, r, and the spacing between the tubes, were varied to investigate their effect on the distribution. Also, the change in the positions of input and output of water showed that the U-shaped configuration provides a more uniform distribution in the solar collector.

Finally, the solution proposed to further improve the flow distribution is to shrink linearly the cold manifold. Thus, the factor Ω increases from 99.17 %, for the basic geometry, to 99.80 %.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 145-149.
Mots-clés libres: Chauffage solaire Appareils et matériel. Dynamique des fluides numérique. Tubes à vide. Capteurs solaires. collecteur solaire, tubes sous vide, ANSYS Fluent, écoulement, distribution du débit massique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Rousse, Daniel R.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Morency, François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 02 déc. 2015 16:42
Dernière modification: 01 févr. 2016 19:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1572

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