Performance enhancement of open flow flat solar collector with porous media by using nano-additives
Nano katkı maddelerı̇ kullanılarak gözeneklı̇ ortama sahı̇p açık akışlı düz güneş kolektörünün performansının artırılması
- Tez No: 948375
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULRAZZAK AHMED SALEH AKROOT, DOÇ. DR. HASANAİN ADNAN ABDUL WAHHAB
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 164
Özet
Bu çalışma, metal gözenekli ortam ve nanoakışkanlar aracılığıyla güneş düz plaka kolektörlerinin (SFC'ler) termal performansını artırmak için entegre bir deneysel ve sayısal araştırma sunmaktadır. Araştırma, gelişmiş malzemeler ve tasarım değişiklikleri yoluyla güneş kolektörü verimliliğini optimize ederek fosil yakıtlardan sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçişin küresel zorluğunu ele almaktadır. Araştırma metodolojisi iki yol içermektedir: deneysel, tasarım ve termal enerji depolama ünitesi (TESU) ile entegre gözenekli ortam kullanan yeni güneş düz kolektör modellerinin imalatı. Bakır ve alüminyum açık hücreli metal köpükler (Model A60, Model A90, Model C65 ve Model C93) kullanılarak, sırasıyla değişen gözeneklilik oranlarına (%60, %90, %65 ve %93 gözeneklilik) sahip dört kolektör modeli üretilmiştir. Bunlar parafin ile doldurulmuş bir termal enerji depolama ünitesi (TESU) ile birleştirilmiştir. TiO₂ nanopartikülleri ısı transfer verimliliği üzerindeki etkilerini değerlendirmek için çalışma akışkanına %0,1, %0,2 ve %0,3 hacim konsantrasyonlarında eklenmiştir. İkinci yol olan ANSYS Fluent ile sayısal simülasyon, deneysel eğilimleri doğrulamak için kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar, %65 gözenekliliğe sahip bakır köpüğün (Model C65) tüm konfigürasyonlar arasında en yüksek sıcaklık farkını ve termal verimliliği sağladığını ortaya koymuştur. Nanoakışkanların dahil edilmesi kolektör performansını önemli ölçüde artırmıştır; örneğin, 2 L/dak'da %0,3 TiO₂ konsantrasyonu ΔT oranını yaklaşık %18,4 artırmıştır. Termal verimlilik nanoakışkan konsantrasyonu ile artarken, verimlilik eğrisinin eğimi azalmış, bu da ısı kayıplarında azalma ve kolektör sistemi içinde termal stabilitede iyileşme olduğunu göstermiştir. TESU sonuçları, nanoakışkanların şarj ve deşarj sürelerini yaklaşık %12 oranında azaltarak enerji depolama duyarlılığını artırdığını göstermiştir. Bu bulgular, gözenekli ortam ve nanoakışkanların entegrasyonunun ısı toplama ve termal depolama yeteneklerini önemli ölçüde artırabileceğini ve gerçek dünyadaki çalışma koşullarında güneş termal sistemlerinin verimliliğini artırmak için umut verici bir yol sunduğunu göstermektedir. Daha düşük akış hızları (2 L/dak) ısı emilimini artırırken, daha yüksek akış hızları (4 L/dak) termal gradyanları azaltır ancak verimliliği düşürür. TiO₂ nanoakışkanların dahil edilmesi performansı daha da artırmakta, %0,3'lük konsantrasyon Model-A60'ta %14,8'lik bir verimlilik artışı sağlamaktadır. Parafin mumu kullanan TESU, deşarj sırasında ısı iletimini artıran nanoakışkanlar ile etkili enerji tutma özelliği göstermektedir. CFD sonuçlarının deneysel verilerle doğrulanması, sayısal modellerin güvenilirliğini teyit ederek %9,4'ün altında sapmalar göstermektedir. Çalışma, gözenekli ortam ve nanoakışkanların birleştirilmesinin güneş kolektörü verimliliğini önemli ölçüde artırdığı ve sürdürülebilir enerji sistemleri için uygulanabilir bir çözüm sunduğu sonucuna varmaktadır.
Özet (Çeviri)
This study presents an integrated experimental and numerical investigation to enhance the thermal performance of solar flat plate collectors (SFCs) through metal porous medium and nanofluids. The research addresses the global challenge of transitioning from fossil fuels to sustainable energy sources by optimizing solar collector efficiency through advanced materials and design modifications. The research methodology included two paths: experimental, design, and fabrication of new models of solar flat collectors using porous medium integrated with a thermal energy storage unit (TESU). Four collector models were fabricated using copper and aluminum open-cell metal foams (Model A60, Model A90, Model C65, and Model C93) with varying porosities (Porosity 60%, 90%, 65%, and 93%), respectively. They were coupled with a thermal energy storage unit (TESU) filled with paraffin. the working fluid to evaluate their impact on heat transfer efficiency. The second path, numerical simulation by ANSYS Fluent, was used to confirm the experimental trends. The experimental results revealed that the copper foam with 65% porosity (Model C65) delivered the highest temperature difference and thermal efficiency among all configurations. Including nanofluids significantly improved collector performance; for instance, at 2 L/min, a 0.3% TiO₂ concentration enhanced the ΔT rate by approximately 18.4%. Thermal efficiency increased with nanofluid concentration, while the slope of the efficiency curve decreased, indicating a reduction in heat losses and improved thermal stability within the collector system. The TESU results showed that nanofluids reduced charging and discharging durations by nearly 12%, improving energy storage responsiveness. These findings suggest that integrating porous media and nanofluids can significantly enhance heat collection and thermal storage capabilities, offering a promising route for improving the efficiency of solar thermal systems under real-world operating conditions. Lower flow rates (2 L/min) enhance heat absorption, while higher flow rates (4 L/min) reduce thermal gradients but decrease efficiency. The incorporation of TiO₂ nanofluids further improves performance, with a 0.3% concentration yielding a 14.8% efficiency boost in Model-A60. The TESU, utilizing paraffin wax, demonstrates effective energy retention, with nanofluids extending heat delivery during discharge. Validation of CFD results against experimental data shows deviations below 9.4%, confirming the reliability of the numerical models. The study concludes that combining porous media and nanofluids significantly enhances solar collector efficiency, offering a viable solution for sustainable energy systems.
Benzer Tezler
- Temas tanklarının verimlerinin iyileştirilmesi için açık kaynak HAD yazılımı kullanılarak delikli perdenin optimizasyonu
Optimization of perforated baffle for the efficiency enhancement of contact tanks using open source CFD code
NAZHMIDDIN NASYRLAYEV
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Çevre MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENDER DEMİREL
- Uçaklarda buzlanmanın nümerik olarak incelenmesi ve uçuş profili boyunca hava tahmin modeli uygulaması
Numerical investigation of aircraft icing and practice of weather forecast model along flight profile
ÖMER AKBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
- Yatay eksenli sualtı akıntı türbinlerinde kavitasyon olgusunun deneysel ve lineer olmayan sayısal yöntemler ile incelenmesi
Investigation of cavitation phenomenon in horizontal axis marine current turbine by experimental and nonlinear numerical methods
MEHMET SALİH KARAALİOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Establishing microstructure – mechanical property relationship in multifunctional polymer foam core sandwich composites
Çok fonksiyonlu polimer köpük dolgulu sandviç kompozitlerin mikroyapıları ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkinin kurulması
ÇİĞDEM ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Güneş enerjili dolap türü kurutucunun ısıl performansı ve kurutma karakteristiklerinin bulunması ve hava ısıtıcı bölümünün günlük veriminin iyileştirme çalışmaları
Başlık çevirisi yok
KADİR ÖNDER KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İ. DEMİR İNAN