การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

การศกษาการไหลและการกระจายอณหภมของในถงสะสมความรอนของระบบผลตนารอน

พลงงานแสงอาทตย

The Study of Flow and Temperature in the Hot Water Tank of Solar Hot Water System

จรวฒน วฑฒยากร1 ศรชย เทพา2 และ รงโรจน สงคประกอบ2

Jirawat Wutthayakorn1 Sirichai Thepa2 and Roongrojana Songprakorp2

บทคดยอ

ถงสะสมนารอนเปนสวนหนงทมความสาคญในระบบผลตนารอนพลงงานแสงอาทตยเพราะเปนสวนท

เกบพลงงานไวใช งานวจยนมวตถประสงคเพอศกษารปแบบการไหล การกระจายอณหภมทอตราการไหลของนา

ขาเขาและอณหภมทผานเขาเครองทานารอนของนาภายในถงสะสมนารอน โดยการประยกตใชวธเทคนคการ

คานวณพลศาสตรของไหล (CFD) แบบ 2 มต เงอนไขทใชในการศกษามดงน ถงมความสง 50 เซนตเมตร

กวาง 30 เซนตเมตร ขนาดเสนผานศนยกลางของทอ 1.2 เซนตเมตร และใสแผนกนเพอบงคบทศทางการไหลของ

นาในถงสะสมนารอนม 3 แบบ คอ ถงสะสมนารอนแบบไมมแผนกน แบบมแผนกนดานบน-ลาง และแบบมแผน

กนดานบน ลางและตรงกลางของถง โดยมอตราเรวของนารอนขาเขาถง 1 เมตรตอวนาท อณหภม 47, 67, 87

และ 107 องศาเซลเซยส และอตราเรวนาเยนเขาถง 1.2, 1.8, และ 2.4 เมตรตอวนาท ซงเปนอตราเรวนาประปาท

อณหภมคงท 27 องศาเซลเซยส และมชองนาออกสองทางคอดานบนของถงและขางถงสวนลาง ผลทไดจากการ

คานวณพบวา รปแบบของการไหลและการกระจายอณหภมขนอยกบทศทางการไหลของนาภายในถงสะสมนา

รอน และกรณของถงสะสมนารอนแบบมแผนกนดานบน ลางและตรงกลางทอณหภมนารอน 47 องศาเซลเซยส

และอตราเรวของนาเยน 1.2 เมตรตอวนาท พบวาอณหภมของนารอนกบนาทนาไปใชมคาตางกนเพยงเลกนอย

คดเปนรอยละ 0.15 และมนารอนไหลเขาผสมกบนาเยนทดานลางของถงเพยงเลกนอย

ABSTRACT

The hot water storage is an important in solar water heating system. This Research has

objective for study the flow pattern and Temperature distribution of inlet water inside the storage tank.

Apply by computational fluid dynamics (CFD) 2 dimensions. The tank has height 50 cm. width 30 cm.

and the diameter of the pipe is 1.2 cm. Disc are Inserted hot water tank to force the direction of water

flow 3 types that storage tank without disc, with a disc at top and bottom and with a disc at

top, bottom and middle of the tank. The velocity of the hot water tank inlet

1สายวชาเทคโนโลยการจดการพลงงาน คณะพลงงานสงแวดลอมและวสด มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร 126. ถนนประชาอทศ

แขวงบางมด เขตทงคร กรงเทพฯ 10140 1Division of Energy Management Technology, School of Energy Environment and Materials, King Mongkut University of Technology

Thonburi 126. Pracha Utid Road Bangmod Thongku Bangkok 10140 2สายวชาเทคโนโลยพลงงาน คณะพลงงานสงแวดลอมและวสด มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร 126. ถนนประชาอทศ แขวงบางมด

เขตทงคร กรงเทพฯ 10140 2Division of Energy Technology, School of Energy Environment and Materials, King Mongkut University of Technology Thonburi 126.

Pracha Utid Road Bangmod Thongku Bangkok 10140

300

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

at 1 meter per second, temperatures 47, 67, 87 1and 107°C, velocity of cool water inlet is 1.2, 1.8

and 2.4 meter per second which velocity of water supply at temperatures 27°C and water outlet are

two sides that on top and bottom of a tank. The simulations results show patterns of flow and temperature

distribution depend on the flow direction water in the storage of hot water. The case of the hot water

storage with a disc at top, bottom and middle of the tank at 47°C and water supply input 1.2 meter

per second. Found that the temperature of hot water applied to have different 0.15 % and a little hot water

mixed with cold water to flow into the bottom of the tank. Keywords: storage tank, water flow rate, computational fluid dynamics

E-mail address: ji.wutt@gmail.com

คานา

ปจจบนสภาวะโลกรอนมแนวโนมเพมขนทกปในขณะทจานวนประชากรทวโลกเพมขนอยางรวดเรวทา

ใหมการใชพลงงานเพมมากขน แตเนองจากสภาพปญหาวกฤตพลงงานและความผนผวนของราคานามนใน

ปจจบนทาใหประเทศตางๆ ทวโลกตนตวในเรองการใชพลงงานและการหาแหลงพลงงานทดแทนเพมมากขน

(มณฑาสน, 2555) ซงพลงงานแสงอาทตยเปนพลงงานทดแทนประเภทหมนเวยนทสาคญชนดหนงทเปน

พลงงานธรรมชาตทสะอาดไมมผลกระทบตอสงแวดลอมและเปนแหลงพลงงานทมอยในทองถน (จงจตร, 2544;

กระทรวงพลงงาน, 2554) ไมมตนทนในการจดซอ โดยสถานภาพการนาพลงงานแสงอาทตยมาประยกตใชงาน

ในประเทศไทยทเหนอยางชดเจนไดแก การผลตไฟฟาจากเซลลแสงอาทตย และการผลตนารอนจากแสงอาทตย

ซงเปนแนวทางหนงในการลดความตองการการใชพลงงานไฟฟาสวนหนง (พพ.รวมกบมจธ., 2554) และถงสะสม

นารอนเปนสวนหนงทมความสาคญเพราะเปนสวนทเกบพลงงานไวใช และการผสมนารอนในถงมผลตออณหภม

นา หากนารอนทเขาถงถกดดไปผลตนารอนอกจะทาใหการกระจายความรอนในถงไมดพอเพราะเปน

การนาความรอนอยางเดยวและมการพาความรอนไดนอย ดงนนจงไดศกษาการไหลของนารอนโดยตดตงแผน

กนทศทางการไหลภายในถง เพอปรบปรงการไหลของนารอนในถงสะสมนารอน (Van Koppen, 1979;

Gari and Loehrke, 1982)

อปกรณและวธการ

รปแบบของถงสะสมนารอนทใชในการทดสอบ

Figure 1 เปนรปแบบจาลองของถงสะสมนารอน ขนาดเสนผานศนยกลาง 30 เซนตเมตร สง 50 เซนตเมตร

โดยทอนาทางเขาดานบนหางจากผนงถงซงเปนทอนารอนไปใชงานดานบนและลางท 1.5 เซนตเมตร และอกทอ

อยตรงกลางผนงดานบนของถง ซงทอทกทอมขนาดเสนผานศนยกลาง 1.2 เซนตเมตร และแสดงการกาหนด

สภาวะขอบเขตสาหรบการทดลอง

301

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

Figure 1 characteristic of storage

การพฒนาแบบจาลองทางคณตศาสตร

ขอบเขตของตวแปรทใชกบแบบจาลองทางคณตศาสตรในงานวจยนแสดงในตารางประกอบดวยชนดของไหล,

นารอน – นาเยน, ตาแหนงทอนาเขา – ออก และอณหภมนา

Table 1 The conditions and factors

Parameters Conditions

Fluid

Water water velocity inlet (water supply) 1.2, 1.8 and 2.4 m/s

hot water velocity inlet 1 m/s

water temperature 27°C

Hot water temperature 47, 67, 87 and 107 °C

Material Stainless

Inlet hot water

Isothermal wall Isothermal wall

Inlet

Outlet water

Useful

302

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

เงอนไขขอบเขต

Figure 2 รปแบบการไหลอตราการไหลและการกระจายอณหภมของนาไดกาหนดเงอนไขขอบเขตในสวนตางๆ

ของถงสะสมนารอนดงแสดงไวใน Figure 2

Figure 2 model of hot water storage tank without disc (A), storage tank with a disc on top and bottom

(B) and storage tank with a disc on top, bottom and middle (C)

สมมตฐานหลกทใชในการพฒนาแบบจาลองทางคณตศาสตร

1. การไหลเปนการไหลแบบราบเรยบ (Laminar), มความหนด (Viscosity)

2. ของไหลเปนแบบอดตวไมได (Incompressible Fluid)

3. สมบตทางกายภาพของไหลคงตว (Steady state)

4. นาภายในถงมการถายโอนความรอนและโมเมนตมแบบ 2 มต (Two dimensions heat transfer and momentum)

จากสมมตฐานทกลาวไวสามารถเขยนสมการสมดลยมวล สมดลพลงงานและสมดลโมเมนตมของนาในถงไดดงน

(Tannous et al., 1989; Kaluri et al., 2010)

สมการสภาวะตอเนอง (Continuity Equation) 𝜕𝑈𝜕𝑋

+ 𝜕𝑉𝜕𝑌

= 0 (1)

สมการโมเมนตม (Momentum Equation)

, (2)

303

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

, (3)

สมการอนรกษพลงงาน (Conservation Equation)

(4)

โดยท

, , , ,

, (5)

เมอ u คอ ความเรวในแนวแกน x (m/s) L คอ ความกวางของถง (m)

v คอ ความเรวในแนวแกน y (m/s) ρ คอ ความหนาแนนของของไหล (kg/m3)

P คอ ความดน (Pa) คอ ตวเลขเรยโนลด )

T คอ อณหภม (K) คอ ตวเลขพรนดเทล

คอ ระยะขจดของถง (m) คอ การนาความรอน (W/m.K)

H คอ ความสงของถง (m) คอ ความจความรอนจาเพาะ (J/kg.K)

ผลการวจย

ในการศกษาการไหลของนารอนแบบธรรมชาตในถงสะสมนารอนขนาด 180 ลตร และมความเรวของนารอน

ขาเขาถง 1 เมตรตอวนาท มอณหภม 47, 67, 87 และ 107 °C และนาเยนเขาถงมอตราเรว 1.2, 1.8, และ 2.4

เมตรตอวนาท อณหภมคงทท 27 °C และมชองนาออกสองทางคอดานบนและขางถงสวนลาง

A B C

Figure 3 Show the Temperature (K) distribution of water in storage tank without disc (A), storage tank

with a disc on top and bottom (B) and storage tank with a disc on top, bottom and middle (C)

304

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

ลกษณะของเวคเตอรการไหลของนาเปนไปตาม Figure 5

A

B

C

Figure 4 velocity’s vector (m/s)Show the flow pattern of water in storage tank without disc (A), storage

tank with a disc on top and bottom (B) and storage tank with a disc on top, bottom

and middle (C) in storage tank and Enlarge image of interesting part

305

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

A B

C

Figure 5 Show graph of water temperature in storage tank without disc (A), storage tank with a disc

on top and bottom (B) and storage tank with a disc on top, bottom and middle (C).

In storage tank all case study that cool water flow rate is 1.2 m/s and hot water flow rate

is 1 m/s at temperature case 1, 2, 3 and 4 are 47, 67, 87 and 107 °C respectively.

จาก Fig. 3 พบวาอตราเรวของนาดบ 1.2 เมตร/วนาท รป A ถงเปลาเกดมนารอนไหลออกไปรบความ

รอนจากแสงอาทตยใหมซงทาใหปรมาณนารอนในถงสะสมนารอนนอยเนองจากไมมการพาความรอนไปทวถง

แตในรป B และ C มการพาความรอนไดทวมากกวาทาใหมปรมาณนารอนเยอะกวาถงเปลา และจาก Fig. 4 ใน

กราฟ A พบวาอณหภมนาทนาไปใชไมตางกบนารอนทผลตมาก แตกราฟ B มคาตากวาเพราะมนาดบทม

อณหภมเยนกวาไหลมาผสม และกราฟ C พบวาอณหภมของนาทนาไปใชกบนารอนทผลตและอณหภมนาดบ

กบนาขาเขาเครองผลตนารอนไมตางกนมาก ซงจะเหนวาการมแผนกนจะชวยใหนารอนภายในถงแบงชนไดด

สามารถนาความรอนทไดไปใชงานอยางมประสทธภาพ

วจารณผลการวจย

จากผลการวจยน พบวา สามารถทานายรปแบบการไหลและการกระจายอณหภมทอตราการไหลของนา

แบบ 2 มตและคานวณผลของอณหภมในแตละชองทางของนาทงออกจากถงและเขาของถงเปลาสอดคลองกบ

การทดลองของ (May et al., 1994; Saeidi and Khodadadi, 2007) และไดทานายเพมอกสองรปแบบในหลายๆ

กรณ รวมทงสน 35 กรณ โดยพบวาถงแบบมแผนกนดานบน, ดานลางและกลาง สามารถทาใหการกระจาย

อณหภมของนารอนอยเปนสดสวนไดในทกกรณทไดทานายมา แตยงมถงสะสมนารอนอกหลายรปแบบทยงไมได

306

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

นามาทานายในการศกษาครงน จงอาจจะยงไมใชถงสะสมนารอนทสามารถทาใหระบบสะสมนารอนทางาน ได

ดทสด

สรปผลการวจย

จากการทานายรปแบบพลศาสตรของไหล (CFD) ของถงสะสมนารอน คอ ถงเปลา, ถงซงมแผนกน

ดานบนและดานลางและ ถงแบบมแผนกนดานบน, ดานลางและกลาง พบกรณของถงสะสมนารอนแบบแผนกน

ดานบน, ลางและตรงกลางของถงทอณหภมนารอน 47 °C และอตราเรวนาขาเขา 1.2 เมตรตอวนาท พบวา

อณหภมของนารอนกบนาทนาไปใชมคาตางเพยงเลกนอยคดเปนรอยละ 0.15 และไมมนารอนไหลเขาผสมกบนา

เยนทดานลางของถง เปนแนวทางการทดลองเพอแกไขการไหลวนของนารอนเขาเครองทานารอนอก เปนชวงท

เหมาะสมเพอลดการเกดนารอนไหลวนเขาเครองทานารอนได

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณคณะพลงงานสงแวดลอมและวสด, รศ.ดร.ศรชย เทพา, คณปองพล รกการงาน,

คณธนยบรณ ถาวรวรรณ และคณะทางาน Lab Solar ทใหการสนบสนนขอมลและทนอดหนนการวจย

เอกสารอางอง

มณฑาสน หอมหวาน. 2555. Renewable Energy: A New Way to Save Our Environment. executive

journal: 100-104

กรมพฒนาพลงงานทดแทนและอนรกษพลงงาน(พพ.)รวมกบมหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร(มจธ.).

2554. โครงการศกษาวจยพฒนาระบบผลตนารอนพลงงานแสงอาทตยราคาประหยด.

กระทรวงพลงงาน, 2554, การสงเสรมการใชนารอนพลงงานแสงอาทตย: 9-20

จงจตร หรญลาภ. 2544. กระบวนการพลงงานรงสอาทตยในรปความรอน. สานกพมพดวงกมล. : 255-261

Saeidi, S.M. and Khodadadi J.M. 2007. Transient flow and geat transfer leading to periodic state in a

cavity with inlet and outlet ports due to incoming flow oscillation. Heat and Mass Transfer. 50 :

530-538.

May, S. Tokarzewski, S. Zachara, A. and Cichocki. B. 1994. Continued fraction representation for the

effective thermal conductivity coefficient of a regular two-component composite International

Journal of Heat and Mass Transfer. 37: 2165-2173

Van Koppen, C.M. 1979. The Actual Benefits of Thermally Stratified Storage in Small and Medium

Sized Solar Systems. Paper in Sun II. Proc. of ISES Biennial Meeting. Atlanta. GA. 2:576

Gari, H.N. and Loehrke, R.I. 1982. A Controlled Bouyant Jet for Enhancing Stratification of Calcium

Hydroxide Pessets for Energy Storage. Tran. ASME. J. Solar Energy. 34: 367.

Kaluri, R.S. basak, T. and Roy. S. 2010. heatline approach for visualization of heat flow and efficient

Thermal mixing with discrete heat sources. Heat and Mass Transfer. 53: 3241-3261.

307

การประชมวชาการแหงชาต มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน ครงท 10

Tannous, A.G. valentine, D.T. and Ahmadi. G. 1989. Two-equation thermo dynamical model for

turbulent buoyant flows. part II: numerical experiments. Applied Mathematical Modelling. 14

:576-584

308