Parabolik Güneş Kolektörlerinde Nanoakışkan Kullanımının Isı Transfer Performansı Üzerine Olan Etkileri

Abstract

Bu çalışma kapsamında parabolik bir güneş kolektörünün toplayıcı tüp borusu içinde, kanatçık eklentisi ve nanoakışkan kullanımının, gerçekleşen akış ve ısı transfer karakteristiklerine olan etkileri incelenmiştir. Bu amaçla toplayıcı boru için kanatçıksız, 3 kanatçıklı, 4 kanatçıklı ve 5 kanatçıklı olmak üzere dört adet model geometri belirlenmiştir. Borunun içinden, baz akışkan olarak belirlenen Syltherm800 yağına Al2O3 nano partikül ilave edilmesi ile oluşturulan nanoakışkanın geçtiği düşünülmüştür. Güneşten toplayıcı boru yüzeylerine gelen ısı akısı sabit kabul edilerek, tüm model geometrileri için %0, %0,25, %0,5, %1, %2, %3 hacimsel orana sahip Al2O3+Syltherm800 nanoakışkan kullanımları için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yardımıyla sayısal analizler tekrarlanmıştır. Bu analizler 3 boyutlu, laminer ve iki fazlı akış yaklaşımı kullanılarak yapılmıştır. Çalışma kapsamında nanoakışkanın hacimsel konsantrasyon oranının ve kanatçık kullanımının, incelenen boru içerisinde oluşan sıcaklık dağılımına ve gerçekleşen ısı transfer performansına etkisi irdelenmiştir. Sonuç olarak, diğer tüm parametreler sabitken kanatçık sayısındaki artışın, akışkanın ortalama sıcaklığını ve gerçekleşen ısı transferini artırdığı gözlemlenmiştir. Benzer olarak, nanoakışkanın içindeki Al2O3 partikülünün hacimsel konsantrasyon oranındaki artışın ortalama Nusselt sayısını, ortalama ısı transfer katsayısını artırdığı belirlenmiştir. Yapılan irdelemeler neticesinde en yüksek ısı taşınım kaysayısı değeri, Model 4 ve nanoakışkan konsantrasyon oranının %3 olduğu durumda 300 W/m2K olarak gerçekleşmiştir. En düşük ısı taşınım kaysayısı değeri ise, Model 1 ve konsantrasyon oranının %0 olduğu durumda 50 W/m2K olarak gerçekleşmiştir. Dolayısıyla incelenen paremetre aralığında, nano partikül ilave oranının artışı ve kanatçık sayısının artışı ile ısı taşınım katsayısında 6 katlık bir artış gerçekleştiği belirlenmiştir.

Keywords

• Nanoakışkan
• Parabolik Güneş Kolektörü
• Kanatçık
• Isı Transferi

Effects of using Nanofluids on Heat Transfer Performance in Parabolic Solar Collectors

Abstract

Within the scope of this study, the effects of the use of fin add and using nanofluid on the flow and heat transfer characteristics of a parabolic solar collector’s collector tube pipe were investigated. For this purpose, four model geometries have been determined for the collector pipe, without fin, 3 fin, 4 fin and 5 fin. The nanofluid prepared by the addition of Al2O3 nanoparticles to the Syltherm800 oil, which is determined as the base fluid, is thought to pass through the pipe. Numerical analysis was repeated with the help of Computational Fluid Dynamics for the use of Al2O3 + Syltherm800 nanofluid with 0%, 0.25%, 0.5%, 1%, 2%, and 3% volumetric ratios for all model geometries. These analyzes were done using a 3D, laminar and two-phase flow approach. Within the scope of the study, the effect of the volumetric concentration ratio of the nanofluid and the use of the fin on the temperature distribution occurring in the examined pipe and the realized heat transfer performance were examined. As a result, it was observed that the increase in the number of fins while all other parameters were constant increased the average temperature of the fluid and heat transfer. Similarly, it was determined that the increase in the volumetric concentration ratio of the Al2O3 particle in the nanofluid increases the average Nusselt number and the average heat transfer coefficient. As a result of the examinations carried out, the highest heat transfer coefficient was realized as 300 W/m2K when Model 4 and concentration rate was 3%. The lowest heat transfer coefficient value was realized as 50 W/m2K when Model 1 and the concentration rate was 0%. With the increase in the concentration rate and the number of fins, the value of the heat transfer coefficient increased 6 times.

Keywords

• Nanofluid
• parabolic solar collector
• fin
• heat transfer

References

1. [1] Halimi M., Outana I., Diouri J., El Amrani A., Messaoudi C. 2018. Experimental Investigation of Absorbed Flux Circumferential Distribution of an Absorber with U-Pipe Tube Exchanger for Parabolic Trough Collectors, Applied Thermal Engineering, Cilt 129, s. 1230–1239. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.10.075
2. [2] Ghasemi E. S., Ranjbar A. A. 2017. Effect of Using Nanofluids on Efficiency of Parabolic Trough Collectors in Solar Thermal Electric Power Plants, International Journal of Hydrogen Energy, Cilt 42, s. 21626-21634. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.07.087
3. [3] Kulahli M. C., Özen A. S., Etemoglu B. A. 2019. Numerical Simulation of a Parabolic Trough Collector Containing a Novel Parabolic Reflector with Varying Focal Length, Applied Thermal Engineering, Cilt 161, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114210
4. [4] Quezada–García S., Sanchez-Mora H., Polo–Labarrios M., Cazares-Ramirez R. I. 2019. Modeling and Simulation to Determine the Thermal Efficiency of a Parabolic Solar Trough Collector System, Case Studies in Thermal Engineering, Cilt 16, DOI: 10.1016/j.csite.2019.100523
5. [5] Marrakchi S., Leemrani Z., Asselman H., Aoukili A., Asselman A. 2018. Temperature Distribution Analysis of Parabolic Trough Solar Collector Using CFD, Procedia Manufacturing, Cilt 22, s. 773–779. DOI: 10.1016/j.promfg.2018.03.110
6. [6] Tagle-Salazar P. D., Nigam , K.D.P., Rivera-Solorio C. I. 2018. Heat Transfer Model for Thermal Performance Analysis of Parabolic Trough Solar Collectors Using Nanofluids, Renewable Energy, Cilt 125, s. 334-343. DOI: 10.1016/j.renene.2018.02.069
7. [7] Rashidi S., Bovand M., Abolfazli Esfahani J. 2015. Structural Optimization of Nanofluid Flow Around an Equilateral Triangular Obstacle, Energy, Cilt 88, s. 385-398. DOI: 10.1016/j.energy.2015.05.056
8. [8] Mukesh Kumar P. C., Palanisamy K., Kumar J., Tamilarasan R., Sendhilnathan S. 2015. CFD Analysis of Heat Transfer and Pressure Drop in Helically Coiled Heat Exchangers Using Al2O3/Water Nanofluid, Journal of Mechanical Science and Technology, Cilt 29 (2), s. 697-705. DOI: 10.1007/s12206-015-0129-7

9. [9] Bellos E., Tzivanidis, C., Tsimpoukis D. 2018. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Enhancing the Performance of Parabolic Trough Collectors Using Nanofluids and Turbulators, Cilt 91, s. 358-375. DOI: 10.1016/j.rser.2018.03.091
10. [10] Khanlari A., Sözen A., Variyenli H. İ. 2018. Simulation and Experimental Analysis of Heat Transfer Characteristics in the Plate Type Heat Exchangers Using TiO2/Water Nanofluid, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Cilt 29 (4), s. 1343-1362. DOI: 10.1108/HFF-05-2018-0191
11. [11] Mohammed I. H., Giddings D., Walker G. S., Power H. 2018. CFD Assessment of the Effect of Nanoparticles on the Heat Transfer Properties Of Acetone/ZnBr2 Solution, Applied Thermal Engineering, Cilt 128, s. 264–273. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.08.169
12. [12] Akbarzadeh P. 2017. New Exact-Analytical Solution for Convective Heat Transfer of Nanofluids Flow in Isothermal Pipes, Journal of Mechanics, Cilt 35 (2), s. 233-242 DOI: 10.1017/jmech.2017.99
13. [13] Dal A.R. 2019. Düz Plakalı Borulu Bir Isı Değiştiricisinin optimum kanatçık Aralığının Sayısal Analizi, Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 8 (1), s.479-501, DOI:10.28948/ngumuh.517163
14. [14] Mehtre N. D., Kore S. S. 2014. Experimental Analysis of Heat Transfer From Car Radiator Using Nanofluids, International Journal of Mechanical Engineering and Computer Applications, Cilt 2 (4), s.101-106.
15. [15] Çengel, Y. A., Cimbala J. M. 2006. Fluid Mechanics Fundamentals and Applications, 1st, McGraw-Hill, New York, 288s.
16. [16] Incropera, P.F., Dewitt, P. D., Bergman, L. T., Lavine, S. A. 2007. Fundementals of Heat and Mass Transfer. 6 th. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ., 376s.