Güneş ışını alıcı kabının sayısal incelenmesi ve ısıl analizi

Bu tez çalışmasında amaç, güneş enerjisini toplayarak ısı enerjisine çeviren ve ısıtma sistemlerinde kullanılmasını sağlayan, güneş kollektörlerinin önemli bir parçası olan güneş ışını alıcı kabını incelemek ve yenilebilir bir enerji kaynağı olan güneşten sağlanabilecek enerjinin maksimum seviyede kullananılması için çözümler sunmaktır. Güneş enerjisinden sağlanan verimi artırmak için, güneş ışını alıcı kabında doğal taşınım, ışıma ve rüzgâr gibi dış etkenler yüzünden meydana gelen ısı kayıplarının azaltılması gerekmektedir. Bu amaçla öncelikle güneş ışını alıcı kabı için literatürde yapılan çalışmalar incelenmiş ve ısı kaybına sebep olan ana etkenler belirlenmiştir. Öncelikle güneş ışını alıcı kabının şekli belirlenmiştir. Bunun için literatürdeki çalışmalar incelenmiş ve en az ısı kaybı olan kap şeklinin kare olduğu anlaşılmıştır. 2 boyutlu, eğimli, kare şeklindeki güneş ışını alıcı kabı için literatürde yapılmış ısı transferi analiz çalışmaları incelenmiş ve bu tez çalışmasında ANSYS Fluent kullanılarak analizler yapılmış ve literatürdeki benzer çalışma sonuçları ile karşılaştırılarak sonuçlar doğrulanmıştır. Bu tez çalışmasının motivasyon noktası, 2 boyutlu, kare bir kapta izolasyon ve sıcak duvar malzemelerininin gerçek ışıma yayma değerleri tanımlanmış ve bu değerler kullanılarak ısı kaybına neden olan farklı etkenler analiz edilmiştir. Güneş kollektörü üreticileri için en uygun güneş ışını alıcı kabı tasarımı ve üretimi için faydalı önerilerde bulunulmuştur. Bu tez çalışmasında güneş ışını alıcı kabı, 2 boyutlu, kare şeklinde, sol duvardan sabit ısı akısı ile ısıtılıp, üst ve alt duvarları yalıtılmış, sağ duvarı ise açık olarak modellenmiştir. Isıtılan sol duvarın sıcaklığı 350 K, açık olan duvardan gelen havanın sıcaklığı ise 300 K dir, güneş ışını alıcı kabının sıcaklık farkı da 50 K dir. 102 den 106 kadar farklı Rayleigh sayıları için çalışma yapılmıştır. Rayleigh sayısı için değiştirilen parametre ya yerçekimi ya da kap boyutu olmuştur. Akışkan için yapılan varsayımlar, sıkıştırılamaz, sabit halde ve laminer akış olduğudur. Akışkanın özkütlesi için Boussinesq yaklaşımı kullanılmıştır. Kap duvarlarında kayma ihmal edilmiştir. Güneş ışını alıcı kabını çalışmak için, hesaplamalarda ve ANSYS Fluent'te kullanılan matematik model ve sınır koşullarını doğrulamak için 6 tip doğrulama çalışması yapılmıştır. Isı kayıplarının temel nedenlerini bulmak için hem saf doğal taşınım hem de doğal taşınım ve yüzey ışımasının birleşiminden meydana gelen birşelik ısı transferi için hesaplamalar ve analizler yapılmıştır. Analizlerde kapalı kap, tam açık kap, eğimli tam açık kap ve kısmi olarak açık kap olmak üzere 4 tip geometri kullanılmıştır. 4 tip geometri için sınır koşulları ve başlangıç koşulları belirlenerek ısı transferi analizleri yapılmıştır. Farklı tip geometrilerde yapılan bu analizlerin bir kısım sonuçları birbiri ile karşılaştırılmış ve ısı kaybını önlemek için doğru geometri belirlenmeye çalışılmıştır. Tüm doğrulama çalışmalarında Nusselt sayıları, literatürde yayınlanmış benzer çalışma sonuçları ile karşılaştırılıp doğrulanmıştır. İlk doğrulama çalışması kapalı kare bir kapta saf doğal taşınım analizidir. Düşük Rayleigh sayılarında iletim baskın iken, yüksek Rayleigh sayılarında taşınımın baskın hale geldiği gözlemlenmiştir. Bu durumu, Rayleigh sayısı arttıkça, akışkanın hızının artması ve kap duvarlarına daha fazla yaklaşarak ve hız sınır tabaka kalınlığının azalması kanıtlamaktadır. Ayrıca Rayleigh sayısı arttıkça, sıcak duvar üzerindeki sıcaklık gradyanının arttığı, sıcak duvar üzerinde ısıl sınır tabaka kalınlığının azaldığı gözlemlenmiştir. Isınan akışkan kap içerisinde kaldırma kuvveti etkisi sebebiyle saat yönünde dolaşmaktadır. İkinci doğrulama çalışması tamamıyla açık olan kare bir kapta doğal taşınımla ısı transferi incelenmesidir. Tamamıyla açık olan 2 boyutlu bir kabın tamamıyla kapalı bir kaptan farklı olarak, sadece açık duvarının sınır koşulu basınç girişi olarak değiştirilip analiz edilmiştir. Basınç dağılımı sonuçları, kabın üst duvarına yakın kısmında soldan sağa doğru, aynı şekilde sağ üst köşeden sol alt köşeye doğru ve sağ alt duvardan sol alt duvara doğru da bir basınç azalması olduğunu göstermektedir. Akışkanlar, basıncın yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere doğru hareket eder bu sebeple de, üst duvarın solundan sağına doğru ve sağ üst köşeden, sağ alt köşeye doğru ve sağ alt duvardan sol alt duvara doğru bir akışkan akışı meydana gelmektedir. Akışkan hareket yönü saat yönündedir. Hız vektör sonuçları, akışkanın kabın alt kısmından girdiğini, sıcak duvara ulaştığında ısındığını ve kaldırma kuvveti etkisi ile kabın üst sağ kısmından çıktığını gösteriyor. Açık kapta, sıcak duvar yakınında hem ısıl hem de hız sınır tabakaları oluşur ve Rayleigh sayısı arttıkça bu tabakaların kalınlıkları azalır. Üçüncü doğrulama çalışmasında açık kap eğim açısının doğal taşınım üzerindeki etkisi incelemiştir. Sonuçlar gösteriyor ki, bütün Rayleigh sayıları için en az ısı kaybı eğim açısı φ= 180o olduğunda, en çok ısı kaybı ise, Rayleigh sayısı 103 ve 104 için eğim açısı φ = 60o, ve Rayleigh sayısı 105 ve 106 için eğim açısı φ = 75o olduğunda meydana gelir. Rayleigh sayısı 103 ve 104 için, eğim açısı φ = 60o 'ye kadar arttıkça ve Rayleigh sayısı 105 ve 106 için eğim açısı φ = 75o 'e kadar arttıkça, ısı kaybı azar azar artarken, bu açılardan sonra ısı kaybı dramatik bir şekilde düşmeye başlar. Dördüncü doğrulama çalışması kabın hava giriş açıklık oranının doğal taşınım ısı transferi üzerine olan etkisini incelemektir. Kısmi olarak açık olan kare kap için hesaplanan Nusselt sayıları, tamamen açık olan kare kap için olanlar ile karşılaştırılmış ve ısı kaybı azaltımı için en uygun olan tartışılmıştır. Ayrıca, kısmi olarak açık olan kabın sıcaklık ve hız dağılımları Bilgen ve Öztop' un çalışmasının yayınlanmış sonuçları ile karşılaştırılıp doğrulanmıştır. Sonuçlar, kap giriş açıklığının artması ile ısı kaybının artacağını göstermiştir ve bundan dolayı, kısmi olarak açık kare bir kap kullanmak ısı kaybını azaltır. Son olarak, son iki doğrulama çalışması ışınım modeli doğrulama ve birleşik ısı transfer analizinden bulunan Nusselt sayılarının yayınlanmış sonuçlarla karşılaştırılmasıdır. Doğrulama başarılıdır ve sonuçlar, Rayleigh sayısının artışı ile ısı kaybının artacağı ve ışıma ile ısı kaybının yüksek Rayleigh sayılarında baskın olduğunu göstermiştir. Doğrulama çalışmalarından sonra, güneş ışını alıcı kabının ısı kayıplarını incelemek için sıcaklık farkı, kap boyutu ve kap eğim açısı gibi farklı parametrelerin analizleri yapılmıştır. Sıcaklık farkı ve kap boyutu değişikliği sadece Ra= 106 için çalışılmıştır. Sonuçlar gösteriyor ki, sıcaklık farkı arttıkça, ısı kaybı daha çok ışıma ısı kaybı sebebiyle artar. Işıma Nusselt sayısı, sıcak duvarın sıcaklığının artması ile dramatik bir şekilde artar iken, doğal taşınım Nusselt sayısı tamamen aynı kalmaktadır. Kare şeklindeki güneş ışını alıcı kabının boyutundaki artış, konveksiyonla ısı kaybını %97' den %42' lere düşürerek, ışımayla ısı kaybının baskın olmasına neden olur. Kap eğim açısının ısı kaybına olan etkisini incelemek için yapılan çalışma, ısı kaybı ile eğim açısı arasında doğrusal olmayan bir ilişki olduğunu göstermiştir. Ayrıca, kap duvarlarında kullanılan malzemelerin ışıma yayma değerlerindeki artış ile ışıma ile ısı kaybı artarak, kap içindeki toplam ısı kaybını arttırmaktadır. Bu çalışmalardan elde edilen sonuca göre, güneş ışını alıcı kabı içinde meydana gelen ısı kayıplarını azaltmak için, kısmi olarak açık bir kap kullanılabilir. Bu kısmi açık kabın küçük boyutlarda ve düşük ışıma yayma değerlerine sahip malzemelerden yapılması gerekmektedir. Buna ek olarak, bulunulan ortam için hesaplanan Rayleigh sayısına göre en düşük ısı kaybına yol açan uygun eğim açısısı kullanılmalıdır. Sonuç olarak, kapalı kare bir kap gibi bir kabın ısı transferi analizlerinden sonra ve açık bir kap için çalışma başlatılmıştır. Açık kap için tamamıyla açık kap, kısmi açık kap ve eğimli açık kap gibi farklı durumlar çalışılmıştır ve sonuçların doğrulanması için yayınlanmış sonuçlarla karşılaştırılmışlardır ve en yüksek termal performansa sahip güneş ışını alıcı kap modeli önerilmiştir. Hem saf doğal taşınım ısı kaybı hem de birleşik ısı kayıpları çalışılmış ve baskın olan belirlenmiştir.