CFD based thermal and hydraulic performance investigation of air heating plate type solar collectors with different duct profiles

Abstract

Bu çalışmada, geleneksel düz plaka soğurucu yüzeyli hava ısıtıcı güneş kolektörün akış kanalında değişiklik yapılarak yeni bir alternatif önerilmiş ve bu alternatifin ısıl ve hidrolik performansı geleneksel ile karşılaştırılmıştır. Akış kanalları CFD (Sayısal Akışkanlar Dinamiği) yöntemi ile incelenmiştir. Akış kanalları 20mm yüksekliğinde ve 800mm genişliğindedir. Giriş bölgesi 760mm, soğurucu yüzeyin bulunduğu test bölgesi ise 1600mm derinliğindedir. Geleneksel tasarımda soğurucu yüzey bir plakadan ibarettir. Önerilen tasarımda ise soğurucu yüzey ile alt plaka arasına sıkıştırılmış, 50mm aralıklarla yerleştirilmiş 1mm kalınlığında kanatçıklar vardır. Akış kanallarının üç boyutlu modellenmesi ve sayısal analizler ANSYS Fluent yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Akışkan olarak hava, kanal malzemesi olarak alüminyum kullanılmıştır. Sadece akış kanalı ve hava modellenmiş, çevreyle etkileşim sebebiyle oluşabilecek ısı kayıpları ihmal edilmiştir. Analizler, 1000W/m2 sabit ısı akısına maruz kalan soğurucu yüzey ve 3000 ile 10000 arasında değişen Reynolds sayılarındaki hava akışı için gerçekleştirilmiştir. Analizler sonunda, soğurucu yüzey ile havanın ortalama sıcaklıkları ve meydana gelen basınç kaybı kaydedilmiş, ortalama ısı transfer katsayıları, Nusselt sayıları ve Darcy sürtünme faktörleri hesaplanmıştır. İki kanalda da, akış hızlandıkça, ısı transfer katsayısı artmakta, giriş çıkış sıcaklık farkı, ortalama hava ve soğurucu yüzey sıcaklıkları azalmakta ve kanaldaki basınç kaybı artmaktadır. Önerilen tasarımda, geleneksel tasarıma göre daha düşük soğurucu yüzey sıcaklıkları ve daha yüksek ortalama hava sıcaklıkları gözlemlenmiştir. Ayrıca, hesaplanan ortalama ısı transfer katsayısı daha yüksek olmasına rağmen, akış daha küçük kesitli kanallara yönlendiği için küçülen hidrolik çap sebebiyle daha düşük Nusselt sayıları gözlemlenmiştir. Ancak, kanatçıkların eklenmesi ile basınç kayıpları artmış ve Darcy sürtünme faktörünün de daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.

In this study, two different designs of air heating solar collector ducts were analyzed using Computational Fluid Dynamics. A conventional rectangular duct of 800mm width and 20mm height with flat absorber plate and a proposed duct with fins installed below flat absorber plate were compared within the frame of thermal and hydrodynamic properties. Fins had 1mm thickness, were 50mm apart from each other and were compressed between absorber and back plates. Modeling and steady state analysis were carried out using ANSYS Fluent 15.0 software. Two ducts were modeled in three dimensions with 760mm deep entrance region and 1600mm deep test region. Working fluid was air, duct and fin materials were aluminum. The effect of fins on air and absorber plate mean temperatures, heat distribution, heat transfer coefficient, Nusselt number, pressure drop, friction factor and performance enhancement ratio was investigated for Reynolds number ranging from 3000 to 10000 and constant heat flux of 1000 W/m2. It was found that increasing Reynolds number increases the thermal performance of the ducts by increasing heat transfer coefficient; and increases pressure drop. When finned duct was compared with flat duct, higher air mean temperature, lower absorber plate temperature, therefore better heat distribution; however more pressure drop was observed. Thermo hydraulic performance of finned duct was determined by calculating overall enhancement ratio in order to discuss the overall effect fins. Although average heat transfer coefficient was increased with the addition of fins, reduction of flow hydraulic diameter due to fins caused reduction in Nusselt number.