Havalı güneş kolektörünün farklı akış debilerinde ısıl verim değerlerinin sayısal araştırılması

Yıl 2023, Cilt: 38 Sayı: 1, 617 - 628, 21.06.2022

Erdem Alıç , Mehmet Daş , Ebru Akpınar

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.957304

Öz

Yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan teknolojilerinin son dönemde hızla gelişmesi, sanayinin artan enerji ve güç ihtiyacının karşılanmasında yeni bir sürece girilmesine sebep olmuştur. Bu çalışmada, endüstride daha çok gıda kurutmada kullanılan güneş enerjili hava ısıtıcısının termal ve akış özellikleri araştırılmıştır. Havalı güneş kolektörünün (HGK) iki farklı uzunluk 1400 mm ve 1820 mm için optimum verim araştırılmıştır. Her iki kolektörün enerji ve ekserji verim değerleri karşılaştırılmıştır. Çalışmada sayısal analiz programı olarak ANSYS FLUENT 18.1 kullanılmıştır. Analizler üç farklı hava debisinde sırasıyla 0,038-0,054-0,070 kg/s ve 3 boyut (3B) olarak gerçekleştirilmiştir. Hava kolektörünün yutucu plakası trapezdir ve zemin ile açısı 42º dir. Analiz sonucu elde edilen basınç düşüşünden kolektörün sürtünme katsayıları hesaplanmıştır. Sıcaklık dağılımı, hız dağılımı ve basınç dağılımı değişimleri günün farklı saatleri için gösterilmiştir. En yüksek termal verim saat 13.00’da %85 ile 0,070 kg/s hava debisinde gerçekleşmiştir. Yüksek debilere çıktıkça kolektörün termal verimi artmıştır. Kolektörden geçen hava debisinin artışı çıkış sıcaklığını düşürmesine rağmen faydalı enerji miktarını artırmıştır. Bu çalışma farklı kütlesel debi değerlerinin ve yutucu plaka boyutlarının HGK’nın ısıl verimi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu açık bir şekilde göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

Ekserji verimi, Güneş Enerjisi, HAD, Havalı güneş kollektörü, Sürtünme katsayısı

Teşekkür

Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Sayısal Analiz laboratuvarına’ destek ve katkılarından dolayı teşekkür ederiz.

Kaynakça

• [1] M. A. Karim and M. N. A. Hawlader, “Performance evaluation of a v-groove solar air collector for drying applications,” Applied Thermal Engineering, vol. 26, no. 1, pp. 121–130, 2006.
• [2] B. K. Bala and J. L. Woods, “Simulation of the indirect natural convection solar drying of rough rice,” Solar Energy, vol. 53, no. 3, pp. 259–266, 1994.
• [3] O. Yaldiz, C. Ertekin, and H. I. Uzun, “Mathematical modeling of thin layer solar drying of sultana grapes,” Energy, vol. 26, no. 5, pp. 457–465, 2001.
• [4] M. Sekar, M. Sakthivel, S. Satheesh Kumar, and C. Ramesh, “Effect of solar intensity on efficiency of the convection solar air heater,” Journal of Renewable and Sustainable Energy, vol. 4, no. 4, 2012.
• [5] A. Saxena, V. Goel, and M. Karakilcik, Solar Food Processing and Cooking Methodologies. 2018.
• [6] Varun, R. P. Saini, and S. K. Singal, “A review on roughness geometry used in solar air heaters,” Solar Energy, vol. 81, no. 11, pp. 1340–1350, 2007.
• [7] A. S. Yadav and J. L. Bhagoria, “Heat transfer and fluid flow analysis of solar air heater: A review of CFD approach,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 23, pp. 60–79, 2013.
• [8] V. Singh Bisht, A. Kumar Patil, and A. Gupta, “Review and performance evaluation of roughened solar air heaters,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 81, no. July 2017, pp. 954–977, 2018.
• [9] S. Karyeyen and M. İlbaş, “Türbülanslı Metan Alevinde Mikrojet Destekli Seyreltici Kullaniminin NOX Emisyonlarına Olan Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi,” Journal of Polytechnic, vol. 0900, no. X, pp. 715–721, 2018.
• [10] S. Karyeyen and M. Ilbas, “Application of distributed combustion technique to hydrogen-rich coal gases: A numerical investigation,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 45, no. 5, pp. 3641–3650, 2020.
• [11] V. B. Gawande, A. S. Dhoble, D. B. Zodpe, and S. Chamoli, “A review of CFD methodology used in literature for predicting thermo-hydraulic performance of a roughened solar air heater,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 54, pp. 550–605, 2016.
• [12] H. S. Arunkumar, K. Vasudeva Karanth, and S. Kumar, “Review on the design modifications of a solar air heater for improvement in the thermal performance,” Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 39, no. March, p. 100685, 2020.
• [13] A. S. Yadav and J. L. Bhagoria, “Heat transfer and fluid flow analysis of an artificially roughened solar air heater: A CFD based investigation,” Frontiers in Energy, vol. 8, no. 2, pp. 201–211, 2014.
• [14] D. Jin, M. Zhang, P. Wang, and S. Xu, “Numerical investigation of heat transfer and fluid flow in a solar air heater duct with multi V-shaped ribs on the absorber plate,” Energy, vol. 89, pp. 178–190, 2015.
• [15] V. B. Gawande, A. S. Dhoble, D. B. Zodpe, and S. Chamoli, “Experimental and CFD investigation of convection heat transfer in solar air heater with reverse L-shaped ribs,” Solar Energy, vol. 131, pp. 275–295, 2016.
• [16] D. S. Thakur, M. K. Khan, and M. Pathak, “Solar air heater with hyperbolic ribs: 3D simulation with experimental validation,” Renewable Energy, vol. 113, pp. 357–368, 2017.
• [17] A. P. Singh and O. P. Singh, “Performance enhancement of a curved solar air heater using CFD,” Solar Energy, vol. 174, no. April, pp. 556–569, 2018.
• [18] C. Mahboub, N. Moummi, A. Brima, and A. Moummi, “Experimental study of new solar air heater design,” International Journal of Green Energy, vol. 13, no. 5, pp. 521–529, 2016.
• [19] D. I. Pashchenko, “ANSYS Fluent CFD Modeling of Solar Air-Heater Thermoaerodynamics,” Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika), vol. 54, no. 1, pp. 32–39, 2018.
• [20] Y. Menni, A. J. Chamkha, G. Lorenzini, and B. Benyoucef, “Computational fluid dynamics based numerical simulation of thermal and thermo-hydraulic performance of a solar air heater channel having various ribs on absorber plates,” Mathematical Modelling of Engineering Problems, vol. 6, no. 2, pp. 170–174, 2019.
• [21] D. I. Pashchenko, “CFD Modeling of Operating Processes of a Solar Air Heater in ANSYS Fluent,” Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 92, no. 1, pp. 73–79, 2019.
• [22] A. Sözen, C. Şirin, A. Khanlari, A. D. Tuncer, and E. Y. Gürbüz, “Thermal performance enhancement of tube-type alternative indirect solar dryer with iron mesh modification,” Solar Energy, vol. 207, no. February, pp. 1269–1281, 2020.
• [23] K. Nidhul, S. Kumar, A. K. Yadav, and S. Anish, “Enhanced thermo-hydraulic performance in a V-ribbed triangular duct solar air heater: CFD and exergy analysis,” Energy, vol. 200, p. 117448, 2020.
• [24] A. D. Tuncer, A. Sözen, F. Afshari, A. Khanlari, C. Şirin, and A. Gungor, “Testing of a novel convex-type solar absorber drying chamber in dehumidification process of municipal sewage sludge,” Journal of Cleaner Production, vol. 272, p. 122862, 2020.
• [25] F. Afshari, A. Sözen, A. Khanlari, A. D. Tuncer, and C. Şirin, “Effect of turbulator modifications on the thermal performance of cost-effective alternative solar air heater,” Renewable Energy, vol. 158, pp. 297–310, 2020.
• [26] E. Alic, M. Das, and E. K. Akpinar, “Design, manufacturing, numerical analysis and environmental effects of single-pass forced convection solar air collector,” Journal of Cleaner Production, vol. 311, no. August, p. 127518, Aug. 2021.
• [27] M. S. W. Potgieter, C. R. Bester, and M. Bhamjee, “Experimental and CFD investigation of a hybrid solar air heater,” Solar Energy, vol. 195, no. August 2019, pp. 413–428, 2020.
• [28] M. O. Lari and A. Z. Sahin, “Design, performance and economic analysis of a nanofluid-based photovoltaic/thermal system for residential applications,” Energy Conversion and Management, vol. 149, no. July, pp. 467–484, 2017.
• [29] M. Söyler and M. Aktaş, “Isı Transferi Akışkanı Olarak Eriyik Tuz Kullanılan Bir Gövde Boru Tipi Isı Değiştiricisinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Programı ile Analizi,” Journal of Polytechnic, vol. 0900, no. 1, pp. 13–17, Feb. 2018.
• [30] A. F. U. Guide, “Release 14.0, ANSYS,” Inc., USA, November, 2011.
• [31] S. V. Patankar and D. B. Spalding, A calculation procedure for the transient and steady-state behaviour of shell-and-tube heat exchangers. Imperial College of Science and Technology, Department of Mechanical Engineering, 1972.
• [32] E. Alıç and M. Daş, “Trapez Yutucu Plakalı Bir Havalı Güneş Kolektörünün Deneysel Tasarımı ve Sayısal Analizi,” European Journal of Science and Technology, no. Special Issue, pp. 78–88, Nov. 2020.
• [33] M. B. Özdemi̇r, M. M. Yatarkalkmaz, and G. Dağlı, “Farklı Soğurucu Yüzey Tiplerine Sahip Düzlemsel Kolektörlerin Deneysel Analizi,” Politeknik Dergisi, vol. 20. Gazi University, Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi 06500 Teknikokullar - ANKARA, pp. 441–449, 2017.
• [34] D. Bahrehmand, M. Ameri, and M. Gholampour, “Energy and exergy analysis of different solar air collector systems with forced convection,” Renewable Energy, vol. 83, pp. 1119–1130, 2015.
• [35] A. Bekele, M. Mishra, and S. Dutta, “Heat transfer augmentation in solar air heater using delta-shaped obstacles mounted on the absorber plate,” International Journal of Sustainable Energy, vol. 32, no. 1, pp. 53–69, 2013.
• [36] J. S. Sawhney, R. Maithani, and S. Chamoli, “Experimental investigation of heat transfer and friction factor characteristics of solar air heater using wavy delta winglets,” Applied Thermal Engineering, vol. 117, pp. 740–751, 2017.
• [37] S. Asaadi and H. Abdi, “Numerical investigation of laminar flow and heat transfer in a channel using combined nanofluids and novel longitudinal vortex generators,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, no. 0123456789, 2020.
• [38] M. T. Çoban, “Error Analysis of Non-Iterative Friction Factor Formulas Relative to Colebrook-White Equation for The Calculation of Pressure Drop in Pipes,” Deniz Bilimleri ve Mühendisliği Dergisi, vol. 8, no. 1, pp. 1–13, 2012.
• [39] E. K. Akpinar and F. Koçyiĝit, “Energy and exergy analysis of a new flat-plate solar air heater having different obstacles on absorber plates,” Applied Energy, vol. 87, no. 11, pp. 3438–3450, 2010.
• [40] M. A. Ş and M. Ça, “Güneş Enerjisi Ve Isı Pompalı Kurutucuda Dilimlenmiş Kivi Kurutulması,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 28, no. 4, p. 0, 2013 . [41] G. Ömeroǧlu, “CFD analysis and electrical efficiency improvement of a hybrid PV/T panel cooled by forced air circulation,” International Journal of Photoenergy, vol. 2018, 2018.