CFD based thermal and hydraulic performance investigation of air heating plate type solar collectors with different duct profiles

Bu çalışmada, geleneksel düz plaka soğurucu yüzeyli hava ısıtıcı güneş kolektörün akış kanalında değişiklik yapılarak yeni bir alternatif önerilmiş ve bu alternatifin ısıl ve hidrolik performansı geleneksel ile karşılaştırılmıştır. Akış kanalları CFD (Sayısal Akışkanlar Dinamiği) yöntemi ile incelenmiştir. Akış kanalları 20mm yüksekliğinde ve 800mm genişliğindedir. Giriş bölgesi 760mm, soğurucu yüzeyin bulunduğu test bölgesi ise 1600mm derinliğindedir. Geleneksel tasarımda soğurucu yüzey bir plakadan ibarettir. Önerilen tasarımda ise soğurucu yüzey ile alt plaka arasına sıkıştırılmış, 50mm aralıklarla yerleştirilmiş 1mm kalınlığında kanatçıklar vardır. Akış kanallarının üç boyutlu modellenmesi ve sayısal analizler ANSYS Fluent yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Akışkan olarak hava, kanal malzemesi olarak alüminyum kullanılmıştır. Sadece akış kanalı ve hava modellenmiş, çevreyle etkileşim sebebiyle oluşabilecek ısı kayıpları ihmal edilmiştir. Analizler, 1000W/m2 sabit ısı akısına maruz kalan soğurucu yüzey ve 3000 ile 10000 arasında değişen Reynolds sayılarındaki hava akışı için gerçekleştirilmiştir. Analizler sonunda, soğurucu yüzey ile havanın ortalama sıcaklıkları ve meydana gelen basınç kaybı kaydedilmiş, ortalama ısı transfer katsayıları, Nusselt sayıları ve Darcy sürtünme faktörleri hesaplanmıştır. İki kanalda da, akış hızlandıkça, ısı transfer katsayısı artmakta, giriş çıkış sıcaklık farkı, ortalama hava ve soğurucu yüzey sıcaklıkları azalmakta ve kanaldaki basınç kaybı artmaktadır. Önerilen tasarımda, geleneksel tasarıma göre daha düşük soğurucu yüzey sıcaklıkları ve daha yüksek ortalama hava sıcaklıkları gözlemlenmiştir. Ayrıca, hesaplanan ortalama ısı transfer katsayısı daha yüksek olmasına rağmen, akış daha küçük kesitli kanallara yönlendiği için küçülen hidrolik çap sebebiyle daha düşük Nusselt sayıları gözlemlenmiştir. Ancak, kanatçıkların eklenmesi ile basınç kayıpları artmış ve Darcy sürtünme faktörünün de daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.