Experimental and numerical investigation on thermal efficiency of an evacuated tube solar collector using nanofluids
Küçük Resim Yok
Tarih
2018
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Karabük Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Bu tez vakum tüplü bir güneş kollektörünün ısıl verimini etkileyen faktörlerin belirlenmesi amacıyla yapılan deneysel ve sayısal çalışmalardan oluşmaktadır. Yapılan çalışmada, çalışma akışkanının kütlesel debisi, güneş ışınım şiddeti ve özellikle kullanılan nanoakışkanların hacimsel konsantrasyonlarının kollektör verimi üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Deneysel analizleri gerçekleştirmek için, ortalama 30 nm partikül çapına sahip ZnO nanopartikülleri ile Etilen glikol-saf su (%50:%50 hacimsel) çözeltisi kullanılarak dört farklı hacimsel konsantrasyona (%1.0, %2.0, %3.0 and %4.0) sahip nanoakışkanlar kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar eşzamanlı olarak ölçümler kaydedilerek dış ortam çalışma koşullarında gerçekleştirilmiştir. Vakum tüplü güneş kollektörünün ısıl verimi, verim üzerinde en önemli etkiye sahip olduğu yaygın olarak bilinen ısı kaybı parametresine (Ti-Ta/IT) göre belirlenmiştir. Sayısal analiz sonuçlarını deneysel sonuçlarla karşılaştırmak için, deneysel çalışmalarda kullanılan kütlesel debi ve ısı kaynağı olarak da güneş ışınımı şiddeti sınır şartları uygulanmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılan kütlesel debilerden hesaplanan Reynolds sayıları laminar akış bölgesine karşılık geldiği için analizler buna göre yapılmıştır. Deneysel çalışmaların sonucunda, %3,0 hacimsel konsantrasyona sahip ZnO/EG-Saf Su nanoakışkanın kollektör çalışma akışkanı olarak %26,42 verim artışıyla en iyi performansı gösterdiği belirlenmiştir. %4,0 hacimsel konsantrasyona sahip ZnO/EG-Saf Su nanoakışkanla yapılan deneylerde, parçacık topaklaşmasından dolayı ısıl verimde %3.0'e göre bir azalma olduğu tespit edilmiş olup bu durumun karakterizasyon işlemi ile kanıtlanmıştır. Üç farklı akışkan kütlesel debisi karşılaştırıldığında, her nanoakışkan için en yüksek verim 0.045 kg/s debide elde edilmiştir. Öte yandan HAD analizi sonuçlarına bakıldığında, sayısal analizde akışkanın fiziksel kararlılığı ölçülemediğinden dolayı en yüksek kollektör verimine, %4,0 hacimsel konsantrasyona sahip ZnO/EG-Saf Su nanoakışkan ile ulaşılmıştır. En yüksek verim %67.2 olup bu değer aynı şartlardaki baz akışkanın veriminden %24.93 daha yüksektir. Ayrıca, sayısal analiz sonuçlarının deneysel sonuçlarla kabul edilebilir bir uyum içerisinde olduğu belirlenmiştir. Özet olarak, vakum tüplü güneş kollektörlerinin verimi üzerine deneysel ve sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Present study consists of experimental and numerical analyses about specifying thermal efficiency of an Evacuated U-tube Solar Collector (EUSC). Different parameters affecting the efficiency have been considered that mass flow rate, solar radiation intensity and especially volume concentration of nanofluids. In order to conduct experimental analysis, ZnO nanoparticles having average 30 nm nanoparticle size has been used to constitute nanofluids having four different volume concentrations (1.0%, 2.0%, 3.0% and 4.0%) using Ethylene glycol-pure water (50%:50% by volume) as a base fluid. Experiments have been conducted at outdoor operating conditions by recording measurements simultaneously. Thermal efficiency of the EUSC has been determined according to heat loss parameter (Ti-Ta/IT) as widely utilized since this parameter has major effect on efficiency. As a result of experimental studies, 3.0 vol% ZnO/Ethylene Glycol – Pure Water (EG-PW) nanofluid showed the best performance providing 26.42% efficiency improvement for EUSC. It has been observed that there is a reduction in thermal efficiency in the 4.0 vol% nanofluid due to aggregation which was proven by making a characterization study. When three different mass flow rates were compared, the highest yield was obtained at 0.045 kg/s for each case. Numerical study has been performed with ANSYS-FLUENT 17.0 considering a single evacuated tube by applying same boundary conditions such as mass flow rate inlet and heat flux (solar radiation) in experimental analysis to make a comparison. In CFD analysis, the highest thermal efficiency was achieved with 4.0 vol% ZnO/EG-PW since deterioration of stability of nanofluids could not detected in numerical analysis. The maximum collector efficiency was determined as 67.2% which was 24.93% higher than the 50%EG-PW at 0.045 kg/s. Since the mass flow rates correspond to the Reynolds number laminar flow zone, computations were performed at laminar flow conditions. Furthermore, it has been determined that the collector efficiency values calculated according to the results obtained from the numerical and experimental studies are in harmony with each other. As a summary, a comprehensive study on EUSC efficiency was accomplished both experimentally and numerically.
Present study consists of experimental and numerical analyses about specifying thermal efficiency of an Evacuated U-tube Solar Collector (EUSC). Different parameters affecting the efficiency have been considered that mass flow rate, solar radiation intensity and especially volume concentration of nanofluids. In order to conduct experimental analysis, ZnO nanoparticles having average 30 nm nanoparticle size has been used to constitute nanofluids having four different volume concentrations (1.0%, 2.0%, 3.0% and 4.0%) using Ethylene glycol-pure water (50%:50% by volume) as a base fluid. Experiments have been conducted at outdoor operating conditions by recording measurements simultaneously. Thermal efficiency of the EUSC has been determined according to heat loss parameter (Ti-Ta/IT) as widely utilized since this parameter has major effect on efficiency. As a result of experimental studies, 3.0 vol% ZnO/Ethylene Glycol – Pure Water (EG-PW) nanofluid showed the best performance providing 26.42% efficiency improvement for EUSC. It has been observed that there is a reduction in thermal efficiency in the 4.0 vol% nanofluid due to aggregation which was proven by making a characterization study. When three different mass flow rates were compared, the highest yield was obtained at 0.045 kg/s for each case. Numerical study has been performed with ANSYS-FLUENT 17.0 considering a single evacuated tube by applying same boundary conditions such as mass flow rate inlet and heat flux (solar radiation) in experimental analysis to make a comparison. In CFD analysis, the highest thermal efficiency was achieved with 4.0 vol% ZnO/EG-PW since deterioration of stability of nanofluids could not detected in numerical analysis. The maximum collector efficiency was determined as 67.2% which was 24.93% higher than the 50%EG-PW at 0.045 kg/s. Since the mass flow rates correspond to the Reynolds number laminar flow zone, computations were performed at laminar flow conditions. Furthermore, it has been determined that the collector efficiency values calculated according to the results obtained from the numerical and experimental studies are in harmony with each other. As a summary, a comprehensive study on EUSC efficiency was accomplished both experimentally and numerically.
Açıklama
Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Enerji, Energy ; Makine Mühendisliği