EFFECT OF FIN SHAPES AND IMPINGING JETS ON HYDRO-THERMAL PERFORMANCE FOR SOLAR AIR HEATER

Abstract

ABSTRACT

The simplest heating system for using solar thermal energy is a Solar Air Heater (SAH). The impacts of impinging jets and longitudinal fins on SAH have been investigated in this study. The absorber plate surface of SAH has been designed to have constant heat flux condition. Numerical studies have been performed under turbulent flow condition (10,000≤ Re≤25,000). Shear Stress Transport (SST) k-ω turbulence model has been used. By using ANSYS Fluent 2020 R2, simulations of 3-D Computational Fluid Dynamics (CFD) have been done. An in-depth analysis has been done for determination of the impacts of fin height, fin shape, and mass flow rate on thermal efficiency (ή) of SAH.

It was obtained from the numerical results that using impingement jets and adding longitudinal fins improve the Nusselt number (Nu) and thermal efficiency. The findings indicated that optimal thermal efficiency and Nusselt numbers are achieved with smaller fin heights when a lower Reynolds number is applied. As the increasing Reynolds number, higher fin heights have led to improve thermal efficiencies. It was also determined that altering the fin height has minimal impact on pressure drop. Circular and triangular fins exhibited lower pressure drop values compared to rectangular fins. It has been determined that using impinging jets increases the thermal efficiency of the SAH. The highest thermal efficiency (74.354%) and Nusselt number (222.645) have been achieved at Re=25000 for the rectangular fin design with height of 3.75 mm.

ÖZET

Güneşin ısıl enerjisini kullanmak için en basit ısıtma sistemi Havalı Güneş Kollektörü'dür (HGK). Bu çalışmada çarpan jetlerin ve kollektör boyunca yerleştirilmiş kanatçıkların HGK üzerindeki etkileri araştırılmıştır. HGK'nın yutucu plaka yüzeyi sabit ısı akısı koşuluna sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Sayısal çalışmalar türbülanslı akış koşulunda (10.000≤Re≤25.000) yapılmıştır. Shear Stress Transport (SST) k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. ANSYS Fluent 2020 R2 kullanılarak 3 Boyutlu Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Kanatçık yüksekliği, kanat şekli ve kütle akış hızının HGK ısıl verimliliği (ή) üzerindeki etkilerinin belirlenmesi için derinlemesine bir analiz yapılmıştır.

Sayısal çalışma sonuçlardan çarpan jetlerinin kullanılması ve boyuna kanatçık eklenmesinin Nusselt sayısını (Nu) ve ısıl verimi iyileştirdiği elde edilmiştir. Bulgular, daha düşük Reynolds sayısı uygulandığında daha küçük kanatçık yükseklikleriyle optimum ısıl verim ve Nusselt sayılarının elde edildiğini göstermiştir. Reynolds sayısının artmasıyla birlikte daha yüksek kanatçık yükseklikleri ısıl verimin artmasına neden olmuştur. Ayrıca, kanatçık yüksekliğinin basınç düşüşü üzerinde minimum etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Dairesel ve üçgen kanatçıklar, dikdörtgen kanatçıklara göre daha düşük basınç düşümü değerleri sergilemişlerdir. Çarpan jetlerin kullanılmasının HGK'nın ısıl verimini arttırdığı belirlenmiştir. En yüksek ısıl verim (%74,354) ve Nusselt sayısı (222,645) 3,75 mm yüksekliğindeki dikdörtgen kanatçık tasarımında Re=25000 için elde edilmiştir.