Simulering av soldrivet torkskåp Ivana Bogojevic och Jonna Persson INTRODUKTION Soltork drivna med enbart solenergi börjar bli ett populärt redskap i utvecklingsländer, då investeringskostnader är låga och driftkostnader är noll. Med hjälp av en soltork kan frukt och grönsaker torkas efter skörd och förvaras för bruk långt efter skördetid. Soltorken kan se ut på många olika sätt och för detta projekt läggs fokusen främst på den som kallas direkt soltork. I mån av tid undersöks även den som kallas indirekt soltork. Direkt soltork Direkt soltork utformas som en låda med lutande toppskiva så att så mycket som möjligt av solinstrålningen utnyttjas. Alla utom bottenskivan är i glas, eller plast, så att instrålningen släpps igenom men utstrålningen förhindras, då glas och plast inte tillåter långa våglängder att tränga igenom. Bottenplattan kan vara metallisk, helst svart, så att den kan absorbera all strålning som kommer in och värma upp luften i lådan. Mellan skivan på toppen och botten sätts in en eller flera hyllor med fruktskivor och ett vertikalt luftflöde tillåts genom öppningar i lådans botten- och toppskiva. Hyllorna bör vara av ett material som tillåter luftflödespassage. Frukten blir uppvärmd både genom solinstrålningen direkt på frukten och genom konvektionen i lådan. Ökning i temperatur får fukten i fruktskivan att transporteras upp till ytan och evaporera med luftflödet. Ett liknande exempel på en direkt tork visas i Figur 1. Figur 1: Ett exempel på en direkt soltork (Atul Sharma et al. 2009) 1
Indirekt soltork En indirekt soltork har som en direkt tork en låda med hyllor där själva frukten som ska torkas är. Denna låda är dock gjord opakt material, t.ex. trä och är isolerad så att värmeförlusterna mot atmosfären ska minskas. Kopplat till denna låda är en fyrkantig, lång och smal kanal med en lutning så att solinstrålningsriktningen är normal mot kanalens toppskiva, för att maximera irradiansen. Kanalen består av en glasskiva på toppen, följt av en luftspalt och en svart, ofta metallisk platta i botten, för att absorbera solinstrålningen. På undersidan av denna metalliska platta finns någon form av isolering för att minska värmeförluster. Omgivningsluften tar sig in i luftspalten, värms upp och stiger in i lådan där frukten är, värmer upp frukten och åker ut ur lådan på lådans topp. Då frukten värms upp sker samma som nämnt vid direkt tork, fukten tar sig till ytan och evaporerar. Ett exempel på en indirekt tork visas i Figur 2. Figur 2: Ett exempel på en indirekt soltork (Atul Sharma et al. 2009) MÅL Att studera temperatur- och hastighetsfördelningen i direkt soltork med hjälp av simuleringsprogrammet COMSOL. Genom variation av storlek på in- och utlopp ska optimal modell presenteras. I mån av tid studeras samma för indirekt soltork. METOD Fokusen i projektet är på den direkta torken, som modelleras i COMSOL Multiphysics ungefär som i Figur 1. En referensmodell görs varefter inlopp och utlopp varieras i storlek och luftflöde samt temperatur studeras. I mån av tid modifieras den direkta torken till en indirekt för jämförelse av ovannämnt. Comsol Multiphysics- Direkt soltork Modellen byggs upp i 2-D och modulen Non-Isothermal Flow används för en stationär studie. I modulen används Navier-Stokes ekvationer för att beräkna lufthastigheter vid naturlig konvektion. Modulen använder följande ekvationer vid simulering: (1) 2
Modellen ritas som i Figur 3 och följande randvillkor används: Volume force Buoyancykraft, luftdomän Surface-To-Surface Radiation Opacity controlled radiation direction ε koppar =1 ε silica glass =0.2 ε isolering =0.1 T amb =330K Surface-To-Surface Radiation Opacity controlled radiation direction ε silica glass =0.2 ε isolering =0.1 T amb =303K Open boundary Inlet Strålning mellan ytorna T amb -Antagen medeltemperatur i torken Strålning till omgivningen T amb -Antagen omgivningstemperatur Övre och nedre luftrand Vänster luftrand Outlet Boundary heat source Höger luftrand Kopparplattans undre rand Q b efterliknar effekten av solinstrålningen Figur 3: Referensmodell i COMSOL där den röda markeringen är mätpunkten för temperaturavläsning 3
Meshningen av referensmodellen består av 8125 element och 10619 frihetsgrader och visas i Figur 4. Dämpningen har för referensmodellen reducerats till 0.16. Figur 4: Meshning av referensmodellen Efter att en fungerande referensmodell har fåtts, varieras storlek på inlopp och utlopp med värden presenterade i Tabell 1. Tabell 1Modifieringar Inlopp (m) Utlopp (m) Referensmodell 0,03 0,07 Större inlopp 0,05 0,07 Mindre inlopp 0,015 0,07 Större utlopp 0,03 0,085 Mindre utlopp 0,03 0,05 Större utlopp och inlopp 0,045 0,085 Mindre utlopp och inlopp 0,02 0,06 Luftflödes beräknas i m 3 /s efter atthöjden på in-och utlopp är känd och hastigheten vid inlopp läses av m.h.a Line Average i COMSOL. Mätpunkten för temperaturavläsning är vid x=0.15m; y=0.15m då det antas att frukten kommer att torka på den höjden. 4
RESULTAT Hastighets- och temperaturprofilen för referensmodellen visas i Figur 5. För modifierade modeller visas hastighetsprofilen i Figur 6 och temperaturprofilen i Figur 7. Luftflödet för olika modeller och temperaturen i mätpunkten visas i Tabell 2. Temperaturvariation med ökat luftflöde presenteras i Figur 7. Figur 5: Hastighets- och temperaturprofilen för referensmodellen 5
Figur 5: Hastighetsprofiler för modifierade modeller 6
Figur 6: Temperaturprofiler för modifierade modeller 7
Tabell 2: Luftflödet och temperaturen i mätpunkten Luftflöde (m 3 /s) Temperatur (C ) Referensmodell 0,0049 39,8 Större inlopp 0,0095 44,2 Mindre inlopp 0,0024 35,5 Större utlopp 0,0038 39,3 Mindre utlopp 0,0039 39,3 Större utlopp och inlopp 0,0057 31,3 Mindre utlopp och inlopp 0,0029 37,8 Figur 7: Temperaturer i mätpunkter med det avvikande värdet (övre) och utan det (nedre) Vid temperaturavläsning presenterad i Tabell 2 avviker värdet för modell med större utlopp och inlopp som även ses i den övre figuren i Figur 7. Den optimala modellen visas vara modellen med ökad inloppslängd, då temperaturen är 44,2 C. 8
DISKUSSION Alla modeller utom en visar på att ett högre luftflöde genom soltorken bidrar till en högre temperatur vid mätpunkten, luften rörs om mer och inte lika mycket värme stannar kvar längst ned vid kopparplattan. Vår optimala modell blev den med störst inlopp som troligtvis hade kunnat förbättras genom ett ännu större inlopp. Hade vi fått göra om projektet hade vi valt att titta på ännu mer på relationen mellan luftflöden och temperaturen och då troligtvis till slut kommit till en punkt då större luftflöde ger en lägre temperatur vid mätpunkten och precis vid denna övergång ges troligtvis ett optimalt luftflöde. Den vertikala plattan under inlopp tros ha kunnat tas bort, eftersom den troligtvis bara bromsar in flödet och har en negativ effekt på modellen och bidrar till en lägre temperatur vid mätpunkten. Då både inlopp och utlopp ökades så minskade temperaturen i mätpunkten till 31,3 C, jämfört med 39,8 C för referensmodellen. Detta tros vara felaktigt, då övriga modeller med ett ökat luftflöde också har lett till en ökad temperatur, vi ser ingen anledning till att denna modell inte skulle visa en högre temperatur än referensmodellen. Efter att ha simulerat klart alla modeller upptäcktes ett stort fel. Konduktionen mellan glaset och kopparplattan var stor och ledde till felriktning av effekten Q b, istället för högre effekt i y-led erhölls högre effekt i x-led, vilket förmodligen har sänkt temperaturen vid mätpunkten för alla modeller. Modellerna var ofta svåra att mesha fint vilket kan bero på geometrin och vassa hörn, där meshen blir för fin snabbt och skapar svårigheter vid lösning. Detta kan även ses i Figur 5, då figurerna i mitten skiljer sig från resterande, eftersom meshningen var begränsad. Dämpningen var ofta svår att få ner till värden under 0,1 förmodligen på grund av att kombinationen av strålning och flöde i ett instängt (luftdomän) utrymme kan ha skapat problem, eftersom det var mycket lättare att få ner dämpningen vid separation av nämnda problem. Bildreferens 1. Atul Sharma, C.R. Chen, Nguyen Vu Lan. (2009). Solar-energy drying systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (6-7), 1185-1210. 9