การศึกษาสมรรถนะทางความร้อนของตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบโดยใช้ของไหลกราฟีนนาโนเป็นสารทำงาน

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาสมรรถนะทางความร้อนของตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบและระบบผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ของไหลกราฟีนนาโนและน้ำเป็นสารทำงาน โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 5 ส่วน ประกอบด้วย การศึกษาสมบัติของของไหลกราฟีนนาโน ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนภายในท่อทองแดงที่มีการให้ความร้อนต่อพื้นที่ผิวท่อสม่ำเสมอ สมรรถนะทางความร้อนของตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ สมรรถนะทางความร้อนของระบบผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ และความเสถียรของของไหลกราฟีนนาโนภายในระบบผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ ในการศึกษาใช้อนุภาคกราฟีนนาโนแบบแผ่นขนาด 2 µm x 2 nm ผสมกับน้ำปราศจากไอออนที่ความเข้มข้น 0wt% 0.050wt% 0.075wt% และ 0.100wt% ที่อุณหภูมิสารทำงานตั้งแต่ 20-80 oC จากคำนวณหาสมบัติของของไหลกราฟีนนาโน พบว่า กรณีที่ใช้ของไหลกราฟีนนาโนจะมีค่าความหนาแน่น ค่าความหนืด และค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูงกว่ากรณีที่ใช้น้ำ ส่วนค่าความจุความร้อนจะมีค่าลดลงเล็กน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ใช้น้ำ ในส่วนของศึกษาสัมประสิทธิ์การพาความร้อนภายในท่อทองแดงจะใช้ท่อทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 8 mm ยาว 1 m และใช้ขดลวดไฟฟ้าขนาด 80 W ให้ความร้อนต่อพื้นที่อย่างสม่ำเสมอ ทำการปรับอุณหภูมิของของไหลกราฟีนนาโนที่ความเข้มข้นต่างๆ และน้ำบริเวณทางเข้าท่อทองแดงให้มีค่า 35 oC 45 oC 55 oC และ 65 oC ที่อัตราการไหล 120 cm3/min 170 cm3/min และ 220 cm3/min จากการศึกษาพบว่า อุณหภูมิในถังพักสารทำงานมีผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนภายในท่อทองแดงเล็กน้อย อัตราการไหลสารทำงานเพิ่มขึ้นค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนภายในท่อมีค่าเพิ่มขึ้นตาม โดยค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนที่สูงที่สุดเมื่อเทียบกับการใช้น้ำเป็นสารทำงานที่มีค่าเท่ากับ 699.25 W/m2K หรือเพิ่มขึ้น 15.67% ที่อัตราการไหล 220 cm3/min และความเข้มข้นกราฟีนนาโน 0.100wt% จากการศึกษาสามารถสร้างสมการความสัมพันธ์ในการหาค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนภายในท่อได้ สำหรับการทดสอบสมรรถนะทางความร้อนของตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบตามมาตรฐานการทดสอบ ASHRAE Standard 93-2003 เพื่อเปรียบเทียบสมรรถนะของตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบกรณีที่ใช้ของไหลนาโนที่ความเข้มข้น 0.100wt% เป็นสารทำงานเปรียบเทียบกับการใช้การใช้น้ำ ทำการทดสอบที่อัตราการไหล 220 cm3/min ผลการทดสอบพบว่า การใช้ของไหลกราฟีนนาโนเป็นสารทำงานสามารถเพิ่มสมรรถนะของตัวเก็บรังสีชนิดแผ่นเรียบได้และมีค่า FR(τα)e และ FRUL จากการทดสอบเท่ากับ 0.7790 และ 7.084 W/m2·K ตามลำดับ ในขณะที่กรณีใช้น้ำเป็นสารทำงานมีค่า FR(τα)e และค่า FRUL เท่ากับ 0.6885 และ7.1098 W/m2·K ส่วนของการทดสอบสมรรถนะทางความร้อนของระบบผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ จะใช้ตัวเก็บรังสีอาทิตย์แบบแผ่นเรียบต่อเข้ากับถังเก็บน้ำร้อนขนาด 12 ลิตร เก็บข้อมูลตลอดทั้งวันจากการศึกษา พบว่าในวันท้องฟ้าแจ่มใสกรณีที่ใช้ของไหลกราฟีนนาโนเป็นสารทำงานจะให้ประสิทธิภาพระบบ 62.54% สูงกว่ากรณีที่ใช้น้ำเป็นสารทำงานที่มีประสิทธิภาพระบบเท่ากับ 45.04% หรือคิดเป็นเปอร์เซ็นที่เพิ่มขึ้นเท่ากับ 38.85% เมื่อพิจารณาความเสถียรและการตกตะกอนของของไหลกราฟีนนาโนพบว่า จะมีการตกตะกอนหลังการทำงานของระบบผลิตน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ใน 40 นาที โดยสามารถสังเกตได้จากความใสของของไหลกราฟีนนาโน และประสิทธิภาพระบบทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์จะมีค่าลดลงจนมีค่าใกล้เคียงกับกรณีใช้น้ำเป็นสารทำงาน