Experimental and CFD analysis of nano-fluid inside inclined enclosuer

Abstract

Direkt emilimli solar kolektör için yeni konfigürasyon geliştirilmiştir. Yeni konfigürasyonda, sirküle olmayan nano-sıvılar cam duvar ile solar radyasyonu emmektedir.Emilen ısı ,direkt olarak camla kaplanmış nano-sıvıya daldırılan bakır tüpte bulunan dolaşan akan suya dönüştürülmektedir. Nümerik model, akan su, nano-sıvı yıllık bölge ve iki farklı sıvıyı ayıran bakır tüpten oluşan eğik tüplü alıcı için geliştirilmiştir. Nano-sıvı içerisindeki solar radyasyon ANSYS FLUENT yazılımındaki ordinary dicrete (OD) kullanılarak taklidi yapılmıştır.Yeni konfigürasyon direkt emilim ve direkt olmayan emilim prensibi ile çalışan klasik solar alıcı ile rekabet etme kapasitesine sahiptir. Başlangıç CFD simülayon takımı,solar kolektör için cam-bakır ölçüm oranının en iyi performansını elde etmek için uygulanmıştır. Cam tüp çapı 56 mm uyarlanarak standart bakır tüpleri kullanılarak ¼,1/2 ve ¾ oranları araştırılmıştır. Diğer 3 durum içerisinde en etkili olanın 1/2 oranının olduğu ortaya çıkmıştır. CFD solüsyonları üzerinde yapılan gözlemler bakır tüp içerisinde,su akışı oranının tüm ölçü oranların verimini etkileyerek artış şeklinde değiştiğini göstermiştir. Nano-sıvı bölgesinde nano-sıvı emilim derinliği ve doğal konveksiyon uzunluk özelliği önemli şekilde alıcı birim verimliliğini etkilemektedir.3/4 ölçü oranında, emilim yetersiz derinliği, verimlilikteki azlığın sonrasında gelmektedir.1/4 ölçü oranında ise konveksiyonun yetersiz alanı verimlilikteki azlığın sonrasında gelmektedir. yeterli emlim derinliğin ve yeterli konveksiyon alanın ortaya çıkmasını sağlayan optimum ölçü oranı ise ½ çıkmaktadır.Üst oran ½ modeli, özel araç deneysel olarak ve 690 w/m2 yoğunluklu güneş radyasyonlu ANSYS programı teorik olarak test edilmiştir. Deneysel ve teorik sonuçlar arasındaki fark 3.82 ve 4.1 arasındaki hata payıyla sınırlandırılmıştır.Anahtar kelimeler: Solar kolektör, direk emilim, nano-sıvı, ordinaryüs discrete metodu

Novel configuration for direct absorption solar collector has been developed. In the new configuration, none-circulated nano-fluid absorbs the solar radiation through a glass wall. The absorbed heat is then directly transferred to circulated water flowing inside a copper tube submerged into the nano-fluid enveloped made of glass. Numerical model has been developed for inclined receiver tube which consists of flowing water, nano-fluid annular region and the copper tube which separates the two different fluids. Solar radiation within the nano-fluid is simulated by using ordinary discrete (OD) method in ANSYS FLUENT software. The new configuration has the capability of competing with the traditional solar receiver collectors working on indirect and direct absorption principle. A set of preliminary CFD simulation are performed to obtained the best performing glass-copper size ratio for the solar collector. The ratios of ¼,1/2and 3/4 are investigated using standard copper tubes while the glass tube diameter is fixed at 56 mm. The ratio ½ is found to be the most efficient among the 3 cases. Observations of CFD solutions show that inside the copper tube, water flow rate changes increasingly affecting the efficiency for all size ratios. In nano-fluid region, both of depth of absorption in nano-fluid and characteristic length of natural convection significantly affects the receiver unit efficiency. In size ratio of 3/4, the insufficient depth of absorption is behind the efficiency shortness. While in size ratio of 1/4, the insufficient area of convection is behind the efficiency shortness. The optimum size ratio, which results in sufficient absorption depth and sufficient convection area, appears in the size ratio of 1/2.The above ratio ½ model is tested experimentally by using a special device and theoretically by ANSYS program with sun radiation intensity of 690 w/m2.The different between Experimental and theoretical results are limited between 3.82 and 4.1 as error percentage.Keywords: Solar collector, direct absorption, nano-fluid, Ordinary discrete method