شبیه¬سازی و مطالعه عددی تأثیر صفحات چین¬دار بر انتقال حرارت و جریان هوا در یک کلکتور هواگرم خورشیدی

محورهای موضوعی : انرژی های تجدید پذیر

امین قلعه نوئی ¹ , علی اکبر عظمتی ^{2 *}

1 - استادیار گروه مهندسی مکانیک، واحد آبادان، دانشگاه آزاد اسلامی، آبادان، ایران.
2 - استادیار گروه مهندسی مکانیک، واحد آبادان، دانشگاه آزاد اسلامی، آبادان، ایران. *(مسوول مکاتبات)

تاریخ دریافت : 1402/09/05 تاریخ پذیرش : 1403/03/30 تاریخ انتشار : 1403/08/01

کلید واژه: هواگرم¬کن خورشیدی, صفحه جاذب چین‌دار, ضریب افزایش حرارتی, شبیه سازی CFD.,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: امروزه باتوجه به کاهش منابع انرژی و اهمیت استفاده از منابع تجدیدپذیر برای جایگزین کردن سوخت­های فسیلی با هدف کاهش آلاینده­های زیست محیطی، استفاده از تجهیزات خورشیدی اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. کلکتورهای هواگرم خورشیدی یکی از این سیستم­هاست که استفاده از صفحات مواج و چین­دار در آنها باعث بالا رفتن راندمان در آنها می­شود. در این تحقیق به کمک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مطالعه­ای بر روی انتقال حرارت و جریان هوا درون یک کلکتور هواگرم خورشیدی که از صفحه جاذب چین‌دار برخوردار است، صورت گرفته است.

روش بررسی: عدد رینولدز و پارامترهای هندسی مربوط به شکل چین­ها در صفحه جاذب به­عنوان متغیرهای طراحی در نظر گرفته شده­ و شبیه­سازی به صورت دو بعدی با کمک نرم­افزار Ansys Fluent 15 انجام شده است. عدد رینولدز در محدوده 3800 تا 18000 تغییر می­کند و روند تکرار چین­ها (گام) و زاویه چین­ها با صفحه به عنوان پارامترهای تأثیرگذار بر هندسه کانال انتخاب شدند.

یافته‌ها: باتوجه به بررسی­های به­عمل آمده نشان داده شد که بهترین مدل توربلانسی مدل k-ε RNG می‌باشد. همچنین مشاهده شد که آشفتگی ایجاد شده توسط صفحه چین­دار منجر به افزایش انتقال حرارت درون کانال می­شود. گرچه چین­دار کردن صفحه افت فشار را نیز افزایش می­دهد. تحلیل CFD حاضر به­وضوح نشان می­دهد که عدد ناسلت متوسط و ضریب اصطکاک متوسط با افزایش گام نسبی و ارتفاع نسبی افزایش می­یابد.

بحث و نتیجه‌گیری: شرایط عملکرد بهینه توسط فاکتور تقویت حرارتی محاسبه شد. بیشینه مقدار 98/0 برای ضریب تقویت حرارتی بر روی محدوده پارامترهای بررسی شده به­دست آمد.

چکیده انگلیسی:

Background and Objective: Nowadays, due to the reduction of energy resources and the importance of the use of renewable energies as a substitute for fossil fuels in order to reduce environmental pollutants, the use of solar equipment has become increasingly important. Solar air collectors are one of these systems that use corrugated and wavy plates to increase their efficiency. In this research, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been used to study the heat transfer and airflow inside a solar air collector that uses a corrugated absorber plate.

Material and Methodology: In this work, the Reynolds number and the geometrical parameters of the corrugated shape on the absorber plate are considered design variables, and the simulation was done in two dimensions with Ansys Fluent 15 software. The Reynolds number changes in the range of 3800 to 18000 and the process of corrugated repeating and corrugated angle with the plate was selected as parameters affecting the geometry of the channel.

Findings: According to the investigations carried out, it has been shown that the best turbulence model is the k-ε RNG model. It was observed that the turbulence created by the corrugated plate leads to an increase in heat transfer within the duct. Although the corrugation of the plate also increases the pressure drop. The current CFD analysis clearly shows that the average Nusselt number and the average friction coefficient increase with the increase in relative pitch and relative height.

Discussion and Conclusion: Optimum performance conditions were calculated using the thermal enhancement factor. The maximum value of 0.98 was obtained for the coefficient of thermal improvement over the range of parameters studied.

منابع و مأخذ:

1. Chaurasia, S., Goel, V., Debbarma, A., 2023. Impact of hybrid roughness geometry on heat transfer augmentation in solar air heater: A review. Solar Energy, Vol. 225, pp.435-459.
2. Lin, W., Gao, W., Liu, T., 2006. A parametric study on the thermal performance of cross-corrugated solar air collectors. Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp.1043-1053.
3. El-Sebaii, AA., Aboul-Enein, S., Ramadan, MRI., Shalaby, SM., Moharram, BM., 2011. Investigation of thermal performance of-double pass-flat and v-corrugated plate solar air heaters. Energy, Vol. 36, pp.1076-1086.
4. Hedayatizadeh, M., Sarhaddi, F., Safavinejad, A., Ranjbar, F., Chaji, H., 2016. Exergy loss-based efficiency optimization of a double-pass/glazed v-corrugated plate solar air heater. Energy, Vol. 94, pp.799-810‏.
5. Kabeel, AE., Khalil, A., Shalaby, SM., Zayed, ME., 2016. Experimental investigation of thermal performance of flat and v-corrugated plate solar air heaters with and without PCM as thermal energy storage. Energy Conversion and Management, Vol. 113, pp.264-272.‏
6. Lakshmi, DVN., Layek, A., Kumar Muthu, P., 2017. Performance analysis of trapezoidal corrugated solar air heater with sensible heat storage material. Energy Procedia, Vol. 109, pp.463-470.‏
7. Handoyo, EA., Ichsani, D., Prabowo, Sutardi, 2016. Numerical studies on the effect of delta-shaped obstacles’ spacing on the heat transfer and pressure drop in v-corrugated channel of solar air heater. Solar Energy, Vol.131, pp.47-60.‏
8. Priyam, A., Chand, P., 2016. Thermal and thermohydraulic performance of wavy finned absorber solar air heater. Solar Energy, Vol. 130, pp.250-259.‏
9. Priyam, A., Chand, P., 2018. Effect of wavelength and amplitude on the performance of wavy finned absorber solar air heater. Renewable Energy, Vol. 119, pp.690-702.‏
10. Li, S., Wang, H., Meng, X., Wei, X., 2017. Comparative study on the performance of a new solar air collector with different surface shapes. Applied Thermal Engineering, Vol. 114, pp.639-644.‏
11. HO, CD., Hsiao, CF., Chang, H., Tien, YE., 2017. Investigation of device performance for recycling double-pass V-corrugated solar air collectors. Energy Procedia, Vol. 105, pp.28-34.‏
12. Aboghrara, AM., Baharudin, BTHT., Alghoul, MA., Adam, NM., Hairuddin, AA., Hasan, HA., 2017. Performance analysis of solar air heater with jet impingement on corrugated absorber plate. Case studies in thermal engineering, Vol. 10, pp.111-120.‏
13. KUMAR, R., Prabha, C., 2017. Performance enhancement of solar air heater using herringbone corrugated fins. Energy, Vol. 127, pp.271-279.‏
14. Sahel, D., Benzeguir, R., 2017. Thermal characteristic in solar air heater fitted with plate baffles and heating corrugated surface. Energy Procedia, Vol. 139, pp.307-314.‏
15. Zheng, W., Zhang, H., You, S., Fu, Y., Zheng, X., 2017. Thermal performance analysis of a metal corrugated packing solar air collector in cold regions. Applied Energy, Vol. 203, pp.938-947.‏
16. Heydari, A., Mesgarpour, M., 2018. Experimental analysis and numerical modeling of solar air heater with helical flow path. Solar Energy, Vol. 162, pp.278-288.‏
17. Poongavanam, GK., Panchabikesan, K., Leo, AJD., Ramalingam, V., 2018. Experimental investigation on heat transfer augmentation of solar air heater using shot blasted V-corrugated absorber plate. Renewable Energy, Vol.127, pp.213-229.‏
18. Zhang, H., Ma, X., You, S., Wanga, Y., Zhenga, X., Yea, T., et. al., 2018. Mathematical modeling and performance analysis of a solar air collector with slit-perforated corrugated plate. Solar Energy, Vol. 167, pp.147-157.‏
19. Manjunath, MS., Karanth, KV., Sharma, NY., 2018. Numerical investigation on heat transfer enhancement of solar air heater using sinusoidal corrugations on absorber plate. International Journal of Mechanical Sciences, Vol.138, pp.219-228.‏
20. Ghalenovi A., Sabzpushani M., 1402. Investigating the effect of porosity on the thermos-hydraulic performance of a solar hot air collector with porous barriers, Environmental Science and Technology Journal, Vol.25, pp.13-25. (In Persian)
21. Yadav, AS., Bhagoria, JL., 2013. Modeling and simulation of turbulent flows through a solar air heater having square-sectioned transverse rib roughness on the absorber plate. The Scientific World Journal.
22. Yadav, AS., Bhagoria, JL., 2014. A CFD based thermo-hydraulic performance analysis of an artificially roughened solar air heater having equilateral triangular sectioned rib roughness on the absorber plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 70, pp.1016-1039.‏
23. ASHRAE. Standard 93., 2003. Method of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers. Atlanta, GA30329.
24. ANSYS FLUENT, 2003. Documentation. ANSYS, Inc.
25. McAdams, WH., 1942. Heat transmission. New York, McGraw-Hill.
26. Patankar, SV., 1980. Numerical heat transfer and fluid flow. Washington DC, Hemisphere.
27. Duffie, JA., Beckmanm WA., 1980. Solar engineering of thermal processes. New York, Wiley.
28. Webb, RL., Eckert, ERG., 1972. Application of rough surface to heat exchanger design. International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 15(9), pp.1647-58.
29. Fox, W., Pritchard, P., McDonald, A., 2010. Introduction to fluid mechanics. New York:John Wiley & Sons, pp.754.
30. Verma S.K, Prasad B.N., 2000. Investigation for the optimal thermohydraulic performance of artificially roughened solar air heaters. Renewable Energy, Vol 20, pp. 19-36.
31. Prasad B.N., Saini J.S., 1988. Effect of artificial roughness on heat transfer and friction factor in a solar air heater. Solar Energy, Vol 41, pp. 555-560.