Yeni tasarım absorber tüp kullanarak konik güneş kollektörün termal analizi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SAFAA MAHDI BAAMEL
Danışman: Faruk Yeşildal
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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. Anahtar Kelimeler: güneş enerjili ısıtma sistemi, konik güneş kollektörü.