Numerical investigation and thermal analysis of solar cavity receiver
Güneş ışını alıcı kabının sayısal incelenmesi ve ısıl analizi
- Tez No: 507718
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Havacılık Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Bu tez çalışmasında amaç, güneş enerjisini toplayarak ısı enerjisine çeviren ve ısıtma sistemlerinde kullanılmasını sağlayan, güneş kollektörlerinin önemli bir parçası olan güneş ışını alıcı kabını incelemek ve yenilebilir bir enerji kaynağı olan güneşten sağlanabilecek enerjinin maksimum seviyede kullananılması için çözümler sunmaktır. Güneş enerjisinden sağlanan verimi artırmak için, güneş ışını alıcı kabında doğal taşınım, ışıma ve rüzgâr gibi dış etkenler yüzünden meydana gelen ısı kayıplarının azaltılması gerekmektedir. Bu amaçla öncelikle güneş ışını alıcı kabı için literatürde yapılan çalışmalar incelenmiş ve ısı kaybına sebep olan ana etkenler belirlenmiştir. Öncelikle güneş ışını alıcı kabının şekli belirlenmiştir. Bunun için literatürdeki çalışmalar incelenmiş ve en az ısı kaybı olan kap şeklinin kare olduğu anlaşılmıştır. 2 boyutlu, eğimli, kare şeklindeki güneş ışını alıcı kabı için literatürde yapılmış ısı transferi analiz çalışmaları incelenmiş ve bu tez çalışmasında ANSYS Fluent kullanılarak analizler yapılmış ve literatürdeki benzer çalışma sonuçları ile karşılaştırılarak sonuçlar doğrulanmıştır. Bu tez çalışmasının motivasyon noktası, 2 boyutlu, kare bir kapta izolasyon ve sıcak duvar malzemelerininin gerçek ışıma yayma değerleri tanımlanmış ve bu değerler kullanılarak ısı kaybına neden olan farklı etkenler analiz edilmiştir. Güneş kollektörü üreticileri için en uygun güneş ışını alıcı kabı tasarımı ve üretimi için faydalı önerilerde bulunulmuştur. Bu tez çalışmasında güneş ışını alıcı kabı, 2 boyutlu, kare şeklinde, sol duvardan sabit ısı akısı ile ısıtılıp, üst ve alt duvarları yalıtılmış, sağ duvarı ise açık olarak modellenmiştir. Isıtılan sol duvarın sıcaklığı 350 K, açık olan duvardan gelen havanın sıcaklığı ise 300 K dir, güneş ışını alıcı kabının sıcaklık farkı da 50 K dir. 102 den 106 kadar farklı Rayleigh sayıları için çalışma yapılmıştır. Rayleigh sayısı için değiştirilen parametre ya yerçekimi ya da kap boyutu olmuştur. Akışkan için yapılan varsayımlar, sıkıştırılamaz, sabit halde ve laminer akış olduğudur. Akışkanın özkütlesi için Boussinesq yaklaşımı kullanılmıştır. Kap duvarlarında kayma ihmal edilmiştir. Güneş ışını alıcı kabını çalışmak için, hesaplamalarda ve ANSYS Fluent'te kullanılan matematik model ve sınır koşullarını doğrulamak için 6 tip doğrulama çalışması yapılmıştır. Isı kayıplarının temel nedenlerini bulmak için hem saf doğal taşınım hem de doğal taşınım ve yüzey ışımasının birleşiminden meydana gelen birşelik ısı transferi için hesaplamalar ve analizler yapılmıştır. Analizlerde kapalı kap, tam açık kap, eğimli tam açık kap ve kısmi olarak açık kap olmak üzere 4 tip geometri kullanılmıştır. 4 tip geometri için sınır koşulları ve başlangıç koşulları belirlenerek ısı transferi analizleri yapılmıştır. Farklı tip geometrilerde yapılan bu analizlerin bir kısım sonuçları birbiri ile karşılaştırılmış ve ısı kaybını önlemek için doğru geometri belirlenmeye çalışılmıştır. Tüm doğrulama çalışmalarında Nusselt sayıları, literatürde yayınlanmış benzer çalışma sonuçları ile karşılaştırılıp doğrulanmıştır. İlk doğrulama çalışması kapalı kare bir kapta saf doğal taşınım analizidir. Düşük Rayleigh sayılarında iletim baskın iken, yüksek Rayleigh sayılarında taşınımın baskın hale geldiği gözlemlenmiştir. Bu durumu, Rayleigh sayısı arttıkça, akışkanın hızının artması ve kap duvarlarına daha fazla yaklaşarak ve hız sınır tabaka kalınlığının azalması kanıtlamaktadır. Ayrıca Rayleigh sayısı arttıkça, sıcak duvar üzerindeki sıcaklık gradyanının arttığı, sıcak duvar üzerinde ısıl sınır tabaka kalınlığının azaldığı gözlemlenmiştir. Isınan akışkan kap içerisinde kaldırma kuvveti etkisi sebebiyle saat yönünde dolaşmaktadır. İkinci doğrulama çalışması tamamıyla açık olan kare bir kapta doğal taşınımla ısı transferi incelenmesidir. Tamamıyla açık olan 2 boyutlu bir kabın tamamıyla kapalı bir kaptan farklı olarak, sadece açık duvarının sınır koşulu basınç girişi olarak değiştirilip analiz edilmiştir. Basınç dağılımı sonuçları, kabın üst duvarına yakın kısmında soldan sağa doğru, aynı şekilde sağ üst köşeden sol alt köşeye doğru ve sağ alt duvardan sol alt duvara doğru da bir basınç azalması olduğunu göstermektedir. Akışkanlar, basıncın yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere doğru hareket eder bu sebeple de, üst duvarın solundan sağına doğru ve sağ üst köşeden, sağ alt köşeye doğru ve sağ alt duvardan sol alt duvara doğru bir akışkan akışı meydana gelmektedir. Akışkan hareket yönü saat yönündedir. Hız vektör sonuçları, akışkanın kabın alt kısmından girdiğini, sıcak duvara ulaştığında ısındığını ve kaldırma kuvveti etkisi ile kabın üst sağ kısmından çıktığını gösteriyor. Açık kapta, sıcak duvar yakınında hem ısıl hem de hız sınır tabakaları oluşur ve Rayleigh sayısı arttıkça bu tabakaların kalınlıkları azalır. Üçüncü doğrulama çalışmasında açık kap eğim açısının doğal taşınım üzerindeki etkisi incelemiştir. Sonuçlar gösteriyor ki, bütün Rayleigh sayıları için en az ısı kaybı eğim açısı φ= 180o olduğunda, en çok ısı kaybı ise, Rayleigh sayısı 103 ve 104 için eğim açısı φ = 60o, ve Rayleigh sayısı 105 ve 106 için eğim açısı φ = 75o olduğunda meydana gelir. Rayleigh sayısı 103 ve 104 için, eğim açısı φ = 60o 'ye kadar arttıkça ve Rayleigh sayısı 105 ve 106 için eğim açısı φ = 75o 'e kadar arttıkça, ısı kaybı azar azar artarken, bu açılardan sonra ısı kaybı dramatik bir şekilde düşmeye başlar. Dördüncü doğrulama çalışması kabın hava giriş açıklık oranının doğal taşınım ısı transferi üzerine olan etkisini incelemektir. Kısmi olarak açık olan kare kap için hesaplanan Nusselt sayıları, tamamen açık olan kare kap için olanlar ile karşılaştırılmış ve ısı kaybı azaltımı için en uygun olan tartışılmıştır. Ayrıca, kısmi olarak açık olan kabın sıcaklık ve hız dağılımları Bilgen ve Öztop' un çalışmasının yayınlanmış sonuçları ile karşılaştırılıp doğrulanmıştır. Sonuçlar, kap giriş açıklığının artması ile ısı kaybının artacağını göstermiştir ve bundan dolayı, kısmi olarak açık kare bir kap kullanmak ısı kaybını azaltır. Son olarak, son iki doğrulama çalışması ışınım modeli doğrulama ve birleşik ısı transfer analizinden bulunan Nusselt sayılarının yayınlanmış sonuçlarla karşılaştırılmasıdır. Doğrulama başarılıdır ve sonuçlar, Rayleigh sayısının artışı ile ısı kaybının artacağı ve ışıma ile ısı kaybının yüksek Rayleigh sayılarında baskın olduğunu göstermiştir. Doğrulama çalışmalarından sonra, güneş ışını alıcı kabının ısı kayıplarını incelemek için sıcaklık farkı, kap boyutu ve kap eğim açısı gibi farklı parametrelerin analizleri yapılmıştır. Sıcaklık farkı ve kap boyutu değişikliği sadece Ra= 106 için çalışılmıştır. Sonuçlar gösteriyor ki, sıcaklık farkı arttıkça, ısı kaybı daha çok ışıma ısı kaybı sebebiyle artar. Işıma Nusselt sayısı, sıcak duvarın sıcaklığının artması ile dramatik bir şekilde artar iken, doğal taşınım Nusselt sayısı tamamen aynı kalmaktadır. Kare şeklindeki güneş ışını alıcı kabının boyutundaki artış, konveksiyonla ısı kaybını %97' den %42' lere düşürerek, ışımayla ısı kaybının baskın olmasına neden olur. Kap eğim açısının ısı kaybına olan etkisini incelemek için yapılan çalışma, ısı kaybı ile eğim açısı arasında doğrusal olmayan bir ilişki olduğunu göstermiştir. Ayrıca, kap duvarlarında kullanılan malzemelerin ışıma yayma değerlerindeki artış ile ışıma ile ısı kaybı artarak, kap içindeki toplam ısı kaybını arttırmaktadır. Bu çalışmalardan elde edilen sonuca göre, güneş ışını alıcı kabı içinde meydana gelen ısı kayıplarını azaltmak için, kısmi olarak açık bir kap kullanılabilir. Bu kısmi açık kabın küçük boyutlarda ve düşük ışıma yayma değerlerine sahip malzemelerden yapılması gerekmektedir. Buna ek olarak, bulunulan ortam için hesaplanan Rayleigh sayısına göre en düşük ısı kaybına yol açan uygun eğim açısısı kullanılmalıdır. Sonuç olarak, kapalı kare bir kap gibi bir kabın ısı transferi analizlerinden sonra ve açık bir kap için çalışma başlatılmıştır. Açık kap için tamamıyla açık kap, kısmi açık kap ve eğimli açık kap gibi farklı durumlar çalışılmıştır ve sonuçların doğrulanması için yayınlanmış sonuçlarla karşılaştırılmışlardır ve en yüksek termal performansa sahip güneş ışını alıcı kap modeli önerilmiştir. Hem saf doğal taşınım ısı kaybı hem de birleşik ısı kayıpları çalışılmış ve baskın olan belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The purpose of this thesis is to investigate steady, laminar, combined pure natural convection and surface radiation in a tilted 2D solar square cavity receiver, perform thermal analysis by using ANSYS Fluent, and compare the results with published ones and to be able to offer a new solution to the investigated reasons of thermal losses. This study is important to propose an optimum thermal design for solar concentrators. 2D solar square cavity receiver has a constantly heated left wall, and insulated top and bottom wall and an opening right wall. The temperature of the heated left wall is 350 K and temperature of the air coming from opening wall is 300 K, so the temperature difference investigated for the solar cavity receiver is 50 K. Different Rayleigh numbers from 102 to 106 were studied. Parameter changed for Rayleigh number depends on the factor investigated in the different cases for this study, such as it could be gravity or dimension. 2D, laminar, steady state flow, with SIMPLE scheme, presssure-based solver was studied and for air density, Boussinesq approach was applied. Operating temperature, density and pressure were defined as ambient airflow and for Radiation mode, S2S method was used. The default values for the relaxation factors were applied. The residual for continuity, x-momentum, y- momentum convergence criteria was taken as 10-3, on the other hand, for energy convergence it was taken as 10-6. In this thesis, in order to study the solar cavity receiver, six types of validation studies were performed for validating the mathematical model and boundary conditions used at both numerical calculations and ANSYS Fluent. The numerical and thermal analysis for both pure natural convection and combined natural convection and surface radiation were studied for finding the main reasons of thermal losses. In all the validation studies, the computed Nusselt numbers were validated with the published ones. The first validation study was for a pure natural convection analysis in a closed square cavity. The results indicated that, as Rayleigh number increases, the fluid velocity increases and fluid gets more close to the walls of the cavity and thermal boundary layer and velocity boundary layer thicknesses decrease. The heated fluid circulates in clockwise direction in the cavity because of the buoyancy effect. The second validation study was to investigate the pure natural convection heat transfer in a fully open square cavity. A fully open, 2D, square cavity thermal analysis was performed by just changing the opening wall boundary condition as pressure inlet. The velocity vector results indicated that fluid enters from bottom part of the cavity, reaches to the hot wall, gets heated, and exits from right side of the top wall of the cavity by buoyancy effect. There forms both thermal boundary layer and velocity boundary layer near the hot wall but as the Rayleigh number increases the thicknesses of these boundary layers' decrease. The third validation study was to investigate the tilt angle of open cavity effect on the pure natural convection heat transfer. The result showed that, the minimum natural convection heat loss occurs when φ= 180o, whereas, the maximum heat loss occurs when φ = 60o for the Rayleigh numbers of 103 and 104, and when φ = 75o for the Rayleigh numbers of 105 and 106. As the tilt angle increases up to φ = 60o for Ra= 103 and 104 and up to φ = 75o for Ra= 105 and 106, the heat loss increases slightly and then after that angles the heat loss decreases as dramatically. The fourth validation was to investigate the effect of opening ratio of cavity aperture on the natural convection heat transfer. The Nusselt numbers calculated for a partially open square cavity were compared with the ones for a fully open square cavity and then the optimum one was discussed for the heat loss reduction. In addition, isotherms and streamlines of a partially open square cavity were validated by comparing with the published results of study of Bilgen and Oztop. The result indicated that increasing the aperture size of the cavity increases the heat loss, so that using a partially open square cavity can reduce the heat loss. Finally, the last two validation studies were to validate the radiative model (S2S) used and to validate the Nusselt numbers found from combined heat transfer analysis by comparing with the published ones. The validation succeeded and the results indicated that, as the Rayleigh number increases, heat loss increases and radiation heat loss becomes dominant at high Rayleigh numbers. After validation studies, thermal losses in a solar cavity receiver were investigated by analyzing different parameters such as temperature difference, cavity dimension and cavity tilt angle. The temperature difference and dimension changing of cavity were studied just for Ra=106 and the results were discussed for investigating the heat loss. The results indicated that, as temperature difference increases, the heat loss increases mostly due to radiation heat loss. The Nusselt number for radiation increases dramatically as increasing the temperature of the hot wall, on the other hand, the Nusselt number for natural convection remains almost same. The increase in the length of the solar square cavity makes radiation heat loss dominant because the heat loss of convection decreases from % 97 to % 42. The results of the study performed for investigation of the tilt angle effect on the heat loss in solar cavity indicated that there is a nonlinear relationship with heat loss and tilt angle. To come up, background of a cavity such as a closed cavity and then an open cavity were studied. Different cases of open cavity were studied such as a fully open cavity, a partially open cavity, an inclined open cavity and all the results were compared with the published similar studies, and the best optimum cavity model at the highest thermal performance was proposed. Both pure natural and combined heat losses were studied and the dominant one was determined.
Benzer Tezler
- Femtosaniye lazer ile işlenen yapıların katıhal lazerlerde uygulamaları ve üst çevrim pompalı Tm3+:KY3F10 lazerleri
Solid-state laser applications of femtosecond laser written structures and upconversion pumped Tm3+:KY3F10 lasers
YAĞIZ MOROVA
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA AKSOY ESİNOĞLU
PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU
- Convective thermal rectification in an air-filled parallelogramic cavity
Başlık çevirisi yok
SADIK YAMAÇ
- Bir basınçlı su reaktöründe kaza sırasında reaktör kabında oluşan kalp enkazının soğumasının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of cooling of core debris in pressurized water reactor during an accident
HAŞİM EMANET
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. CİHAT BAYTAŞ
- Behavior of composite bridge under effect of thermal loading
Kompozit köprülerın ısıl yükler altında davranışı
HESHAM ABDULATEF NUMAN AL ADHAMI
Doktora
İngilizce
2017
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÖZAKÇA
YRD. DOÇ. DR. NİLDEM TAYŞİ
- Parabolik oluklu güneş kolektörü içeren doğal dolaşımlı güneş enerji sisteminin deneysel ve sayısal incelemesi
Experimental and numerical investigation of natural circulating solar energy system including a parabolic trough solar collector
BURHAN BAYHAN