The Effect of Air Preheating and Air Velocity on Thermal Performance of Solar Air Collector

Yıl 2025, Cilt: 37 Sayı: 1, 199 - 209, 27.03.2025

Nergiz Ülker , Hüsamettin Bulut

https://doi.org/10.35234/fumbd.1530113

Öz

Today, increasing energy prices and the negative effects of fossil fuels reveal that solar energy, should be used efficiently in applications. In this study, the effect of air preheating on the collector outlet temperature and thermal efficiency at different mass air flow rates in an air solar collector was experimentally investigated. The experiments were carried out at three different mass air flow rates (0.063, 0.127 ve 0.254 kg/s) and days. The results show that air preheating affects the temperature difference and thermal efficiency of the air solar collector depending on the mass air flow rate. While higher temperature differences were obtained at lower mass air flow rate, it was observed that the thermal efficiency increased at higher mass air flow rates. As the best thermal performance, with air preheating at a mass air flow rate of 0.127 kg/s, the average collector inlet temperature was increased by 5.1°C and the collector outlet temperature was increased by 18.1°C compared to the outside air temperature and the collector thermal efficiency was calculated as 84%. When air preheating is applied, the inlet and outlet temperature difference of the collector is higher than without air preheating. As a result, it was determined that air preheating improves the thermal performance of the collector.

Anahtar Kelimeler

Preheating, air velocity, solar energy, air solar collector, thermal efficiency

Hava Ön Isıtma ve Hava Hızının Havalı Güneş Kollektörünün Isıl Performansına Etkisi

Öz

Günümüzde artan enerji fiyatları ve fosil yakıtların olumsuz etkileri, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisinin uygulamalarda verimli bir şekilde kullanılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmada, kurutma ve mahal ısıtması gibi uygulamalarda kullanılan havalı güneş kollektöründe, hava ön ısıtmasının farklı kütlesel hava debilerinde kollektör çıkış sıcaklığı ve ısıl verimi üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Deneyler üç farklı kütlesel hava debisinde (0,063, 0,127 ve 0,254 kg/s) ve günlerde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, hava ön ısıtmasının kütlesel hava debisine bağlı olarak havalı güneş kollektöründe sıcaklık farkını ve ısıl verimi etkilediğini göstermiştir. Düşük kütlesel hava debilerinde daha yüksek sıcaklık farkları elde edilirken, yüksek kütlesel hava debilerinde ısıl veriminin arttığı gözlemlenmiştir. En iyi ısıl performans olarak 0,127 kg/s kütlesel hava debisinde hava ön ısıtma ile dış hava sıcaklığına göre ortalama kollektör giriş sıcaklığı 5,1°C ve kollektör çıkış sıcaklığı 18,1°C artırılmış ve kollektör ısıl verimi %84 olarak hesaplanmıştır. Hava ön ısıtma uygulandığında, kollektörün giriş ve çıkış sıcaklık farkının, hava ön ısıtma olmadığı durumlara göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak hava ön ısıtmanın kollektör ısıl performansını artırdığı tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Ön ısıtma, hava hızı, güneş enerjisi, havalı güneş kollektörü, ısıl verim

Kaynakça

• Konuklu Y, Ersoy O, Paksoy HÖ, Evcimen S, Çelik S, Toraman ÖY. Termal enerji depolama materyali olarak diyatomit/faz değiştiren madde kompozitlerinin üretilmesi. NÖHÜ Müh Bilim Derg, 2017; 6(1): 238-243.
• Chopra K, Tyagi V, Pandey A, Sari A. Global advancement on experimental and thermal analysis of evacuated tube collector with and without heat pipe systems and possible applications. Appl Energy, 2018; 228: pp. 351-389.
• Ghritlahre HK., Verma M., Parihar JS, Mondloe DS, Agrawal S. A detailed review of various types of solar air heaters performance. Sol Energy, 2022; 237: 173-195.
• Pathak SK, Tyagi V, Chopra K, Kalidasan B, Pandey AK, Goel V, Saxena A, Ma Z. Energy, exergy, economic and environmental analyses of solar air heating systems with and without thermal energy storage for sustainable development: A systematic review. J Energy Storage, 2023; 59: 106521.
• Oğuz M, Akkurt Ş. Kayseri ilinin yenilenebilir enerji potansiyeli. NÖHÜ Müh Bilim Derg, 2017; 6(2): 362-374.
• Sharma SL, Debbarma A. A review on thermal performance and heat transfer augmentation in solar air heater. Int J Sustainable Energy, 2022; 41(11): 1973-2019.
• Sureandhar G, Srinivasan G, Muthukumar P, Senthilmurugan S. Investigation of thermal performance in a solar air heater having variable arc ribbed fin configuration. Sustainable Energy Technol Assess, 2022; 52: 102069.
• Chabane F, Moummi N, Benramache S. Experimental study of heat transfer and thermal performance with longitudinal fins of solar air heater. J Adv Res, 2014; 5(2): 183-192.
• Kumar R, Chand P. Performance enhancement of solar air heater using herringbone corrugated fins. Energy, 2017; 127: 271-279.
• Tyagi R, Ranjan R, Kishore K. Performance studies on flat plate solar air heater subjected to various flow patterns. Appl Sol Energy, 2014; 50: 98-102.
• El Ferouali H, Zoukit A, Salhi I, El Kilali T, Doubabi S, Abdenouri N. Thermal efficiency and exergy enhancement of solar air heaters, comparative study and experimental investigation. J Renewable Sustainable Energy, 2018; 10(4).
• Koyuncu T. Performance of various design of solar air heaters for crop drying applications. Renewable Energy, 2006; 31(7): 1073-1088.
• Doğan, H. Kurutmada kullanılan hava ısıtma kollektörlerinin deneysel karşılaştırılması. Teknoloji, 2001;4.
• Çerçi, KN, Daş M. Modeling of heat transfer coefficient in solar greenhouse type drying systems. Sustainability, 2019; 11(18): 5127.
• Alıç, E., Daş, M, Kavak Akpınar, E. Numerical investigation of thermal efficiency of solar air heater at different flow rates. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University,2023; 38(1): 617-628.
• Alıç, E, Daş M. Güneş enerjisi destekli kurutma sisteminde ürün nem oranının hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi. KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 2019; 22: 78-87.
• Kline SJ. Describing uncertainties in single-sample experiments. Mech Eng, 1983; 75: 3-8.
• Holman JP. Experimental methods for engineers eighth edition, 2021.
• Li S, Wang H, Meng X, Wei X. Comparative study on the performance of a new solar air collector with different surface shapes. Appl Therm Eng, 2017; 114: 639-644.
• Kurtbas I, Durmuş A. Efficiency and exergy analysis of a new solar air heater. Renewable Energy, 2004; 29(9): 1489-1501.
• Debnath S, Das B, Randive P, Pandey K. Performance analysis of solar air collector in the climatic condition of North Eastern India. Energy, 2018; 165: 281-298.