فصلنامه علمی کارافن

فصلنامه علمی کارافن

شبیه سازی عددی استفاده از جت‌ برخوردی در هواگرمکن های خورشیدی به منظور افزایش انتقال حرارت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان
2 استادیار، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان
چکیده
هواگرمکن‌های خورشیدی یکی از به صرفه‌ترین تجهیزاتی تبدیل انرژی خورشیدی به گرما می‌باشد که برای گرم کردن اتاق، خشک کردن محصولات و سایر مصارف صنعتی استفاده می‌شوند. در این تحقیق به اثر استفاده از جت برخوردی در افزایش انتقال حرارت هواگرمکن خورشیدی پرداخته شده است. لذا هواگرمکن‌های خورشیدی با صفحات جاذب‌ تخت و موج‌دار برای دوره تناوب‌های 0125/20، 025/40، 05/80 و 1/160 میلی‌متر با حضور جت برخوردی و بدون آن در اعداد رینولدز 2500، 3500 و 4500 بررسی شده است. همچنین دامنه‌ی 5/2 و 5 میلی‌متر برای هندسه‌های بدون جت برخوردی مورد تحلیل قرار گرفته، و بهترین آن برای هندسه با جت برخوردی استفاده شده است. صفحه‌های جاذب بصورت تخت و سینوسی می‌باشد. در شبیه سازی معادلات حاکم به روش حجم محدود از الگوریتم کوپل و گسسته‌سازی مرتبه دوم برای انفصال مشتقات معادلات حاکم استفاده شده است. اعداد بی‌بعد ناسلت، ضریب اصطکاک، معیار ارزیابی عملکرد حرارتی و راندمان حرارتی به عنوان پارامترهای تاثیرگذار مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاکی از این موضوع است که با کاهش دوره تناوب و افزایش دامنه، انتقال حرارت بهبود خواهد یافت. همچنین هواگرمکن خورشیدی بدون جت برخوردی با صفحه‌ی جاذب موج‌دار با دوره تناوب 0125/20 میلی‌متر و دامنه‌ی 5 میلی‌متر بیشترین معیار ارزیابی عملکرد به مقدار 86/1 را داشته است و هواگرمکن خورشیدی مجهز به جت برخوردی نازل در صفحات جاذب موج‌دار با دوره تناوب 0125/20 میلی‌متر بالاترین معیار ارزیابی عملکرد به مقدار 91/1 را دارند. بنابراین این هندسه بهترین معیار ارزیابی عملکرد را در مقایسه با کلیه‌ی هندسه‌های مورد بررسی را دارا می‌باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of Using Impinging Jet In Solar Air Heaters In Order To Heat Transfer Enhancement

نویسندگان English

Hamidreza Naghoni 1
Abolfazl Fattahi 2
Hamidreza Shahbazian 2
1 MSc Graduate, Energy conversion, School of Mechanical Engineering, University of Kashan.
2 Assistant Professor, Energy conversion, School of Mechanical Engineering, University of Kashan.
چکیده English

One of the best renewable energy sources that can be used instead of fossil fuels is solar energy. Only a few solar power plants have been built in a limited number of cities, producing a small portion of the country's energy. The current investigation focuses on increasing heat transfer in solar air heaters. This study examines solar air heaters with flat and sinusoidal absorber plates for Reynolds numbers of 2500, 3500, and 4500, considering structure periods of 20.0125 mm, 40.025 mm, 80.05 mm, and 160.1 mm, both with and without an impinging jet. Additionally, the geometries without an impinging jet are analyzed within the range of 2.5 mm to 5 mm. The finite volume method, using the SIMPLE algorithm and second-order discretization for the separation of governing equations, has been employed. The friction coefficient, thermal performance evaluation criterion, and thermal efficiency are investigated as influential parameters. According to the results, heat transfer improves with a decrease in cycle period and an increase in range. Based on the conducted investigations, the solar air heater without an impinging jet and with a wavy absorber plate featuring a period of 20.0125 mm and a range of 5 mm achieves the highest performance evaluation criterion of 1.86. Furthermore, upon examining the solar air heater equipped with an impinging jet nozzle on wavy absorber plates, the geometry with a period of 20.125 mm attains the highest performance evaluation criterion of 1.91, making it the best-performing geometry compared to all configurations studied in this research.

کلیدواژه‌ها English

Impinging jets
Solar air heater
Heat transfer improvement
Performance evaluation factor
 [1]  Olivkar P. R., Katekar V. P., Deshmukh S. S., and Palatkar S. V. (2022). Effect of sensible heat storage materials on the thermal performance of solar air heaters: State-of-the-art review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 157, 112085. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112085
[2]   Kumar A., Saini R. P., and Saini J. S. (2014). A review of thermohydraulic performance of artificially roughened solar air heaters. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 37, 100–122. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.063
[3]   Mund C., Rathore S. K., and Sahoo R. K. (2121). A review of solar air collectors about various modifications for performance enhancement. Solar Energy. 228, 140–167. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.040
[4]  Ghritlahre H., Verma M., Parihar J., (2022). A detailed review of various types of solar air heaters performance. Solar Energy. 237, 173–195. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.042
[5]  Hegde A., Pai R., Karanth K., (2023), Performance augmentation of solar air heaters: A comprehensive analysis. Solar Energy. 253, 527-553. https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.01.031
[6]  El-Bialy E., Shalaby S.M., (2023). Recent developments and cost analysis of different configurations of the solar air heaters. Solar Energy. 265, 112091. https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.112091
[7]   Solangi K. H., Islam M. R., Saidur R., Rahim N. A. and Fayaz H. (2100). A review on global solar energy policy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (4), 2149–2163. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.01.007
[8]   Yadav S.  and Saini R. P. (2020). Numerical investigation on the performance of a solar air heater using jet impingement with absorber plate. Solar Energy, 208, 236–248. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.088
[9]   Angioletti M., Nino E., and Ruocco G. (2005). CFD turbulent modelling of jet impingement and its validation by particle image velocimetry and mass transfer measurements. International Journal of Thermal Sciences, 44 (4) 349–356. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2004.11.010
[10] Matheswaran M. M., Arjunan T. V. and Somasundaram D. (2018). Analytical investigation of solar air heater with jet impingement using energy and exergy analysis. Solar Energy, 161, 25–37. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.12.036
[11] Misra R. (2020). Prediction of behavior of triangular solar air heater duct using V-down rib with multiple gaps and turbulence promoters as artificial roughness: A CFD analysis. Int J Heat Mass Transf, 162. 120376. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120376
[12] Murali G., Rama Krishna Reddy K., Trinath Sai Kumar M., SaiManikanta J. (2020). Performance of solar aluminium can air heater using sensible heat storage. Materterial stoday Proc, 21, 169–174. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.04.213
[13] Nidhul K., Kumar S., Yadav A. K., Anish S. (2020). Enhanced thermo-hydraulic performance in a V-ribbed triangular duct solar air heater: CFD and exergy analysis. Energy, 200, 117448. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117448
[14] Yadav A. S. , Bhagoria J. L. (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. Int J Heat Mass Transf, 70, 1016–1039. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.074
[15] Gupta A. D. and Varshney L. (2017). Performance prediction for solar air heater having rectangular sectioned tapered rib roughness using CFD. Thermal Science and Engineering Progress, 4, 122–132. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2017.09.005
[16] Singh I., Singh S. (2018). CFD analysis of solar air heater duct having square wave profiled transverse ribs as roughness elements. Solar Energy, 162, 442–453. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.01.019
[17] Yadav S., Saini R. P., Pandey K. M. (2023). Effect of jet angle and jet pitch on the Thermo-Hydraulic performance of solar air heater having absorber plate with jet impingement. Thermal Science and Engineering Progress, 45, 102146. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.102146
[18] Farahani S. D. , Shadi M. (2021). Optimization-decision making of roughened solar air heaters with impingement jets based on 3E analysis. International Communications in Heat and Mass Transfer, 129, 105742. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105742
[19] Gawande V. B., Dhoble A. S., Zodpe D. B. Fale S. G. (2020). Thermal performance evaluation of solar air heater using combined square and equilateral triangular rib roughness. Australian Journal of Mechanical Engineering, 18 (2), 234–244. https://doi.org/10.1080/14484846.2018.1519986
[20] Rajaseenivasan T., Ravi Prasanth S., Salamon M. (2017). Experimental investigation on the performance of an impinging jet solar air heater. Alexandria Engineering Journal, 56 (1), 63–69. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.09.004
[21] Sharma A., Thakur S, Dhiman P., Kumar R., (2024). Effect of jet-impingement and surface roughness on performance of solar air heater: Experimental study and its optimization. Expert Systems With Applications, 238, 122208. https://doi.org/10.1016/j.eswa.2023.122208
[22] Srivastav A., Maithani R., Sharma S. (2024), investigation of heat transfer and friction characteristics of solar air heater through an array of submerged impinging jets. Renewable Energy. 227, 120588. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120588
[23] Tannous H., Stojceska V., Tavares J., Tassou S., (2024). Design, numerical optimisation and experimental validation of an innovative solar-powered tube heater with multiple air impingement jets. Thermal Science and Engineering Progress, 55, 102990. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102990
[24] Chauhan R., Singh T., Thakur N. S., Patnaik A. (2016). Optimization of parameters in solar thermal collector provided with impinging air jets based upon preference selection index method. Renew Energy, 99, 123-130. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.06.046
دوره 22، شماره 1
فنی و مهندسی
بهار 1404
صفحه 317-343

  • تاریخ دریافت 13 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 03 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش 24 دی 1403