Güneş Enerjili Damıtma Sistemlerinde Verimliliğin Arttırılmasına Yönelik Yenilikçi Yaklaşımlar: Sayısal ve Deneysel Çalışmalar
Innovative for ıncreasing efficiency in solar distillation systemsapproaches: Numerical and experimental studies
- Tez No: 1024833
- Danışmanlar: PROF. DR. FATİH SELİMEFENDİGİL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Manisa Celal Bayar Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, küresel tatlı su problemine sürdürülebilir bir çözüm sunan güneş enerjili damıtıcıların verimliliğini artırmaya yönelik olarak deneysel, teorik ve sayısal-teorik çalışmalar yürütülmüştür. Su derinliği, yüzey optik özellikleri, nanoakışkan kullanımı, faz değiştiren malzemeler (FDM), farklı taban geometrileri (oluklu ve kanatçıklı yapılar) için sistem performansı, enerji ve ekserji verimlilikleri üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Deneysel çalışmalar Manisa ilinin Soma ilçesinde yer alan Soma Meslek Yüksekokulu yerleşkesinde gerçekleştirilmiştir. Su derinliğinin minimum seviyelerde tutulmasının damıtıcı performansını artırdığı belirlenmiştir. 2 cm su derinliğine sahip sistemde günlük damıtılmış su miktarının 3 cm derinliğe göre %21 oranında arttığı tespit edilmiştir. Damıtıcı iç yüzeyinin mat siyah boya ile kaplanması, güneş ışınımı soğurmasını artırarak damıtma miktarında %31,73'lük bir iyileşme sağlamıştır. Nanoakışkan kullanımının ve emici yüzeyin optik özelliklerinin iyileştirilmesi birlikte değerlendirildiği çalışmada, mat siyah boyalı ve su-CuO nanoakışkan kullanılan sistemin en yüksek performansı gösterdiği belirlenmiştir. Bu sistemin, geleneksel damıtıcıya göre %45,51 , yalnızca boyalı modele göre ise %12,12 daha yüksek verim sağladığı görülmüştür. Ayrıca enerji ve ekserji analizleri, nanoakışkan kullanımının özellikle günlük ortalama verimlilik değerlerini artırdığını ortaya koymuştur. Faz değiştiren malzeme (FDM) kullanımının incelendiği deneylerde, gündüz saatlerinde küçük performans düşüşleri gözlenmesine rağmen, gece saatlerinde depolanan ısının geri verilmesi sayesinde toplam günlük verimde artış sağlanmıştır. FDM kullanımı ile toplam verimde %9,24 , gece veriminde ise %78,78 oranında artış elde edilmiştir. Taban geometrileri üzerinde yapılan değişikliklerin incelendiği deneylerde V-oluklu tasarımın, geleneksel düz tabana göre %65,81'e varan verim artışı sağladığı belirlenmiştir. FDM ile desteklenen sinüsoidal oluklu yapı ise özellikle gece verimini önemli ölçüde artırmıştır. Kanatçık geometrilerinin incelendiği deneylerde, dallanmış kanatçık ve FDM entegrasyonunun en yüksek performansı sağladığı görülmüştür. Bu sistem, geleneksel modele göre günlük toplam verimde %82,71 oranında artış sağlamıştır. Tezin teorik aşamasında; tekli, ikili ve üçlü nanoakışkan kullanımının etkileri matematiksel olarak modellenmiştir. Yedi saatlik süreçte en yüksek damıtma miktarı 2,784 kg/gün ile ikili nanoakışkan durumunda hesaplanmış ve geleneksel damıtıcıya kıyasla verimlilikte %26,67, ekserji verimliliğinde ise %33,32'lik bir artış sağlanmıştır. Son olarak gerçekleştirilen teorik-sayısal çalışmada ise oluklu taban geometrisi ile nanoakışkan kullanımı eş zamanlı olarak simüle edilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan Nusselt sayıları sonlu hacimler tabanlı ANSYS Fluent yazılımının kullanılarak hesaplanmıştır. Sadece su ve düz taban kullanımına kıyasla, nanoakışkan ile birlikte en yüksek dalga yüksekliğinde (hc=0,08 m, Nc=4) entegre edildiğinde verimlilik artışı %150,2 olurken, en yüksek dalga sayısında (Nc=5, hc=0,06m) bu artış %179,9'a ulaşmıştır. Ayrıca nanoakışkan ve Nc=5 parametrelerinin günlük ortalama enerji verimliliğini düz tabana göre %129,85, ekserji verimliliğini ise %0,40'tan %1,30'a yükselttiği hesaplanmıştır. Bu tez çalışması, güneş enerjili damıtıcıların performansını artırmaya yönelik farklı iyileştirme yöntemlerini yalnızca bağımsız olarak incelemekle kalmayıp, bu yöntemlerin eş zamanlı uygulanmasının etkilerini deneysel, teorik ve sayısal yaklaşımlarla bütüncül bir şekilde değerlendirmesi bakımından literatüre özgün bir katkı sunmaktadır. Geliştirilen matematiksel modeller ve sayısal analizler, gelecekteki damıtıcı tasarımları ile optimizasyon çalışmalarına rehberlik edecek nitelikte olup, farklı iklim koşulları ve işletme parametreleri için güvenilir bir altyapı oluşturmaktadır. Elde edilen bulgular; düşük maliyetli ve yüksek verimli sistemlerin yaygınlaştırılmasına zemin hazırlayarak temiz su üretimi, enerji verimliliği ve sürdürülebilir su yönetimi alanlarında önemli bir bilimsel ve teknolojik potansiyel ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis study involved experimental, theoretical, and numerical-theoretical research aimed at improving the efficiency of solar-powered distillers, offering a sustainable solution to the global freshwater problem. The effects of water depth, surface optical properties, nanofluid use, phase-change materials (PCMs), and different substrate geometries (grooved and finned structures) on system performance, energy, and exergy efficiencies were comprehensively analyzed. Experimental studies were conducted at the Soma Vocational School campus in Soma district of Manisa province. It was determined that keeping the water depth at minimum levels increased the distiller performance. In a system with a water depth of 2 cm, the daily distilled water yield increased by 21% compared to a system with a depth of 3 cm. Coating the inner surface of the distiller with matte black paint increased solar radiation absorption, resulting in a 31,73% improvement in distillation yield. In a study where the use of nanofluids and improvements in the optical properties of the absorber surface were considered together, the system with matte black paint and water-CuO nanofluid showed the highest performance. This system was found to provide 45,51% higher efficiency compared to the traditional distiller and 12,12% higher efficiency compared to the painted model only. Furthermore, energy and exergy analyses revealed that the use of nanofluid significantly increased the average daily efficiency values. In experiments examining the use of phase change materials (PCMs), although small performance decreases were observed during the day, the release of stored heat at night resulted in an increase in total daily efficiency. PCM use resulted in a 9,24% increase in total efficiency and a 78,78% increase in night efficiency. In experiments examining changes in base geometries, the V-groove design was found to provide up to 65,81% efficiency increase compared to the traditional flat base. The sinusoidal grooved structure supported by PCM significantly increased night efficiency. In experiments examining fin geometries, branched fin and PCM integration was found to provide the highest performance. This system achieved an 82,71% increase in total daily efficiency compared to the traditional model. In the theoretical phase of the thesis; The effects of using single, double, and triple nanofluid systems have been mathematically modeled. The highest distillation rate in the seven-hour period was calculated as 2,784 kg/day with the double nanofluid system, resulting in a 26,67% increase in efficiency and a 33,32% increase in exergy efficiency compared to the conventional distiller. Finally, in the theoretical-numerical study, the simultaneous simulation of the use of nanofluid systems with a fluted bottom geometry was carried out. The Nusselt numbers used in the calculations were calculated using finite volume-based ANSYS Fluent software. Compared to using only water and a flat bottom, integrating the nanofluid system with the highest wave height (hc=0.08 m, Nc=4) resulted in a 150,2% increase in efficiency, while at the highest wave number (Nc=5, hc=0.06 m), this increase reached 179,9%. Furthermore, it was calculated that the nanofluid system and the Nc=5 parameter increased the average daily energy efficiency by 129,85% and the exergy efficiency from 0.40% to 1.30% compared to the flat bottom system. This thesis study makes a unique contribution to the literature by not only independently examining different improvement methods for enhancing the performance of solar-powered distillers, but also holistically evaluating the effects of their simultaneous application through experimental, theoretical, and numerical approaches. The developed mathematical models and numerical analyses will guide future distiller designs and optimization studies, creating a reliable infrastructure for different climatic conditions and operating parameters. The findings pave the way for the widespread adoption of low-cost and high-efficiency systems, revealing significant scientific and technological potential in the fields of clean water production, energy efficiency, and sustainable water management.
Benzer Tezler
- Güneş enerjili damıtıcılarda yeni bir ısı geri kazanım sisteminin performans analizi
Performance analysis of a new heat recovery system in solar-powered water distilleries
YASİN ÖZCAN
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRAH DENİZ
- Güneş enerjili su damıtma sistemlerinde genişletilmiş yüzeylerin ısı ve kütle transferi üzerindeki etkisi
The effect of extended surfaces in the solar distillation systems on the heat and mass transfer
YUSUF BİLGİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ YILDIZ
- Peltier entegrasyonu ile güneş destekli su damıtma sistemlerinin tasarımı ve deneysel incelenmesi
Solar supported with peltier integration design of water distillation system and experimental investigation
AKİF ÇOLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiErzurum Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FARAZ AFŞAR
- Yeni güneş enerjili desalinasyon sistemlerinin tasarımı, modellemesi, termodinamik ve ekonomik analizleri
Design, modelling, thermodynamic and economic analyses of new solar desalination systems
HARRIS JONATHAN NZEME WELEPE
Doktora
Türkçe
2024
EnerjiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN GÜNERHAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT BİLİR