Geri Dön

Yeni tasarım absorber tüp kullanarak konik güneş kollektörün termal analizi

Thermal analysis of conical solar collector with a novel design absorber tube

PDF İndir

  1. Tez No: 827852
  2. Yazar: SAFAA MAHDI BAAMEL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FARUK YEŞİLDAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: güneş enerjili ısıtma sistemi, konik güneş kollektörü, solar heating system, conical solar collector
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Atatürk Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 122

Özet

Amaç: Araştırmanın amacı kullanım sıcak suyunu yeni tasarlanan soğurucu tüplerle güneş enerjisi kullanarak ısıtmaktır. Konik güneş kollektörleri depolama tankı ve sirkülasyon sisteminden oluşur. Evler güneş enerjisinden yararlanarak elektrik faturalarını düşürebilir ve pahalı geleneksel enerji kaynaklarına olan bağımlılığı azaltabilir. Bu yaklaşım aynı zamanda fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak, sera gazı emisyonlarını azaltarak ve hava kirliliğini azaltarak çevresel faydalar da sağlıyor. Güneş enerjisi yenilenebilir ve sürdürülebilirdir, sürekli olarak güneş tarafından yenilenir ve güneş enerjili su ısıtıcılarının benimsenmesi, dayanıklı ve çevre dostu bir enerji geleceğinin yolunu açar. Ek olarak, bu sistemler enerji bağımsızlığı sağlayarak hanelerin kendi sıcak sularını üretmelerine, enerji dalgalanmaları ve tedarik kesintilerinde kendi kendine yeterliliklerini artırmalarına olanak tanır. Yöntem: Tezimiz, Tonatiuh programı kullanılarak simüle edilecek güneş kollektörü için birden fazla şekil tasarlamak üzere SOLIDWORKS programını kullanmayı içerir. Tonatiuh programı, optimum termal verime ulaşabilen ve güneş ışığını etkili bir şekilde yansıtabilen bir güneş kollektörü tasarımı geliştirmek amacıyla çeşitli şekilleri oluşturmak ve test etmek için kullanıldı. Bunu takiben, simüle edilen yansıtıcı yüzey şekilleri, en uygun tasarımın belirlenmesi için kapsamlı bir şekilde değerlendirilecektir. Test edilen güneş yoğunlaştırıcıları arasında 45°'lik konik kollektör en etkili tasarım olarak ortaya çıktı ve mevcut uygulamalı çalışmamız için seçildi. Ayrıca emici tüp için iki yeni tasarım geliştirildi ve konik güneş kollektörü üretilip kapsamlı deneysel testlere tabi tutuldu. Analizimizi daha da geliştirmek amacıyla, iki yeni emici tüp tasarımının performansını simüle etmek için ANSYS programından yararlanıldı. Bulgular: Üç radyasyon değeri altında her tüpün çeşitli özellikleri üzerinde deneysel ve sayısal analiz yapıldı. Ayrıca güneş kolektörüne bağlı ısı değiştiriciye giren soğuk suyun akış hızları da değiştirilerek etkileri gözlemlendi. Güneş kollektörüne giren suyun akış hızının arttırılmasının etkisi, giriş ve çıkış arasındaki sıcaklık farkı, Reynolds sayısı, verim, Nusselt sayısı, basınç düşüşü, ısı transfer katsayısı, çıkış sıcaklığı ve ısı transfer hızı açısından incelenmiştir. Ayrıca ısı değiştirici ile ilgili özellikler de incelenmiştir. Sıcak su ve soğuk su akış hızlarının üç ışınım değeri için değiştirilmesinin sıcaklık farkı, ısı transfer miktarı ve verim üzerindeki etkileri dikkate alınarak iki boruya bağlanan ısı değiştirici arasında karşılaştırma yapılmıştır. Daha sonra incelenen özellikler dikkate alınarak iki tüp arasında bir karşılaştırma yapıldı. Ayrıca iki tasarımın sayısal ve deneysel analizleri arasında bir karşılaştırma yapılmıştır. Analiz edilen özelliklere dayanarak, ikinci tasarımdaki tüpün, birinci tasarımın tüpünden birçok açıdan daha iyi performans gösterdiği belirlendi. İkinci tasarımın tüpü, birinci tasarımın tüpüyle karşılaştırıldığında sıcaklık farkı, Reynolds sayısı, Nusselt sayısı, ısı aktarım hızı ve verimlilik açısından daha yüksek değerler sergiledi. Ek olarak ikinci tasarımın tüpündeki basınç düşüşü, birinci tasarımın tüpündeki basınç düşüşünden daha düşüktü. Ayrıca, ikinci tasarımın borusuna takılan ısı değiştirici, birinci tasarımın borusuna takılan ısı değiştiriciye kıyasla sıcaklık farkı, ısı transfer hızı ve verimlilik açısından daha yüksek değerler sergiledi. Sonuçlar: Araştırma, iki tüp tasarımına ilişkin aşağıdaki bulguları ortaya çıkardı: 1. Sıcaklık Farkı: Soğutma sıvısının akış hızı ve radyasyon seviyeleri arttıkça her iki tüpte de sıcaklık farkının azaldığı görüldü. Ancak ikinci tasarım, maksimum 20,6 ºC değeriyle sürekli olarak birinci tasarıma kıyasla daha yüksek sıcaklık farkları sergiledi. 2. Isı Transfer Hızı: Daha yüksek akış hızları ve radyasyon seviyeleriyle, her iki tüp tasarımında da ısı transfer hızı arttı. Genel olarak ikinci tasarımın tüpü, birinci tasarıma kıyasla daha yüksek ısı transfer hızlarına ulaşarak maksimum 104,45 W'a ulaştı. 3. Nusselt Sayısı ve Reynolds Sayısı: Nusselt sayısı ve Reynolds sayısı, her iki tüp tasarımında artan radyasyon seviyeleri ve akış hızlarıyla birlikte arttı. İkinci tasarımın tüpü, birinci tasarıma kıyasla sürekli olarak daha yüksek Nusselt ve Reynolds sayıları sergiledi; sırasıyla 3,71 ve 1478,1'e ulaşan değerler. 4. Suyun Çıkış Sıcaklığı: Güneş kolektörüne giren su debisinin artması nedeniyle Reynolds sayısı arttıkça suyun çıkış sıcaklığı azalmıştır. İkinci tasarımın tüpü ise en yüksek su çıkış sıcaklığını kaydederek maksimum 44,28 ºC'ye ulaştı. 5. Basınç Düşüşü: İkinci tasarımın tüpü, ilk tasarımın tüpüyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha düşük bir basınç düşüşü yaşadı ve 9,8 (mbar) değerine ulaştı. Bu fark, ikinci tasarımın borusunun daha az sargıya sahip olmasına ve bunun sonucunda su akışına karşı direncin azalmasına atfedildi. 6. Isıl Verim: Sıcaklık farkında gözlenen eğilimin aksine, daha yüksek akış hızlarıyla birlikte ısıl verim de arttı. Genel olarak ikinci tasarımın tüpü, birinci tasarıma kıyasla daha yüksek termal verimlilik sergileyerek maksimum %12,5'e ulaştı. 7. Isı Değiştirici Performansı: İkinci tasarımın borusuna bağlanan ısı değiştirici, birinci tasarımın borusuna bağlanan ısı değiştiriciye göre üstün performans sergilemiştir. Bu, sırasıyla 0,45, 4,09 ºC ve 77,92 W değerleriyle daha yüksek verimlilik, sıcaklık farkı ve ısı transfer oranlarıyla açıkça görüldü.

Özet (Çeviri)

Purpose: The purpose of the research is to heat domestic hot water with newly designed absorber tubes by using solar energy. Conical solar collectors consist of, a storage tank, and a circulation system. By harnessing solar energy, households can lower electricity bills and reduce dependence on expensive traditional energy sources. This approach also brings environmental benefits by decreasing reliance on fossil fuels, curbing greenhouse gas emissions, and alleviating air pollution. Solar energy is renewable and sustainable, continuously replenished by the sun, and embracing solar water heaters paves the way for a resilient and environmentally friendly energy future. Additionally, these systems provide energy independence, enabling households to produce their own hot water and navigate energy fluctuations and supply disruptions with enhanced self-sufficiency. Method: Our thesis involves utilizing the SOLIDWORKS program to design multiple shapes for the solar collector, which will be simulated using the Tonatiuh program. The Tonatiuh program was employed to create and test various shapes, with the goal of developing a solar collector design that can achieve optimal thermal efficiency and effectively reflect sunlight. Following this, the simulated reflective surface shapes will be comprehensively evaluated to determine the most optimal design. Among the tested solar concentrators, the conical collector with a 45° emerged as the most effective design, and it has been chosen for our current practical study. Additionally, two new designs for the absorbent tube were developed, and the conical solar collector was manufactured and subjected to thorough experimental testing. To further enhance our analysis, the ANSYS program was utilized to simulate the performance of the two new absorbent tube designs. Findings: Experimental and numirical analysis was conducted on several properties for each tube under the three radiation values. Additionally, the flow rates of the cold water entering the heat exchanger attached to the solar collector were varied to observe their impact. The effect of increasing the flow rate of water entering the solar collector was examined in terms of the temperature difference between the inlet and outlet, Reynolds number, efficiency, Nusselt number, pressure drop, heat transfer coefficient, outlet temperature, and heat transfer rate. Furthermore, properties associated with the heat exchanger were studied. A comparison was made between the heat exchanger connected to the two tubes, considering the effects of changing the flow rates of hot water and cold water for the three radiation values on the temperature difference, heat transfer amount, and efficiency. Subsequently, a comparison was made between the two tubes, taking into account the properties studied. Additionally, a comparison was conducted between the numerical and experimental analyses of the two designs. Based on the analyzed characteristics, it was determined that the tube of the second design outperformed the tube of the first design in multiple aspects. The tube of the second design exhibited higher values for temperature difference, Reynolds number, Nusselt number, heat transfer rate, and efficiency compared to the tube of the first design. Additionally, the pressure drop in the second design's tube was lower than that in the tube of the first design. Furthermore, the heat exchanger attached to the tube of the second design showcased higher values for temperature difference, heat transfer rate, and efficiency compared to the heat exchanger attached to the tube of the first design. Results: The investigation yielded the following findings regarding the two tube designs: 1. Temperature Difference: As the flow rate of the cooling fluid and radiation levels increased, both tubes experienced a decrease in temperature difference. However, the second design consistently displayed higher temperature differences compared to the first design, with a maximum value of 20,6 ºC. 2. Heat Transfer Rate: With higher flow rates and radiation levels, the heat transfer rate increased in both tube designs. Generally, the second design's tube achieved higher heat transfer rates compared to the first design, reaching a maximum of 104,45 W. 3. Nusselt Number and Reynolds Number: The Nusselt number and Reynolds number rose with increased radiation levels and flow rates in both tube designs. The second design's tube consistently exhibited higher Nusselt and Reynolds numbers compared to the first design, with values reaching 3,71 and 1478,1, respectively. 4. Outlet Temperature of Water: The outlet temperature of water decreased as the Reynolds number increased due to a higher water flow rate entering the solar collector. The second design's tube recorded the highest water exit temperature, reaching a maximum of 44,28 ºC. 5. Pressure Drop: The second design's tube experienced a significantly lower pressure drop compared to the first design's tube, reaching 9,8 (mbar). This difference was attributed to the second design's tube having fewer wraps, resulting in reduced resistance to water flow. 6. Thermal Efficiency: The thermal efficiency increased with higher flow rates, contrary to the observed trend in temperature difference. Generally, the second design's tube demonstrated higher thermal efficiency compared to the first design, reaching a maximum of 12,5 %. 7. Heat Exchanger Performance: The heat exchanger connected to the second design's tube exhibited superior performance compared to the heat exchanger connected to the first design's tube. This was evident through higher effectiveness, temperature difference, and heat transfer rates, with values of 0,45, 4,09 ºC, and 77,92 W, respectively.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    527298

    The compact muon solenoid hadronic forward calorimeter photomultiplier tube tests during the first long shutdown

    İlk uzun kapama sürecinde kompakt muon solenoıd hadronik ileri kalorimetrenin fotoçoğaltıcı tüp testleri

    ERSEL BEDRİ ERKURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEREM CANKOÇAK

  2. Tez No

    833311

    Analysis and evaluation of thermal performance of parabolic trough collectors using swirl generators technique

    Parabolik oluk kolektörlerin gıda jeneratörleri tekniği kullanılarak ısı performansının analizi ve değerlendirilmesi

    WALEED MUWAFAQ ABDULWAHID AL-ALOOSI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiAltınbaş Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. YASER ALAIWI

  3. Tez No

    461943

    Conceptual design and heat transfer investigation of a dense granular flow solar receiver

    Yoğun tanecikli akış güneş alıcısının kuramsal tasarımı ve ısı aktarımı incelemesi

    EVAN FAİR JOHNSON

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEREK KEITH BAKER

    DOÇ. DR. İLKER TARI

  4. Tez No

    416964

    Karbon nanotüp katkılı alumina/epoksi nano kompozitlerin mekanik özellikleri ve düşük hızlı darbe deneyine cevabı

    Mechanical properties of carbon nanotube added alumina/epoxy nanocomposites and response to low velocity

    SEZER PIÇAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF USTA

    PROF. DR. AHMET AVCI

  5. Tez No

    902578

    Elektirikli araçlara yönelik yeni nesil güvenlik komponentlerinin geliştirilmesi

    Development of next generation safety components for electric vehicles

    MUSTAFA CEYHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Otomotiv MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Taşıt Tasarımı Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BETÜL SULTAN YILDIZ

Geri Dön