Çatının belirli bir bölgesine yerleştirilen güneş kolektörünün üst yüzeyinden çevreye olan ısı transferinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer from the top surface of a solar collector to the environment placed on a specific area of the roof
Yazar: HAKKI ERŞAHİN
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Isı kaybı = Heat loss ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Zorlanmış taşınım = Forced convection

Özet:
Sürdürülebilirliğin sağlanması ve günümüzün tüketim dünyasına katkı sağlanması açısından, şimdinin ve geleceğin en önemli faktörlerinden biri olarak yenilenebilir enerji kaynakları öngörülmektedir. Bu bağlamda sınırlarını tahmin bile edemeyeceğimiz, en önemli kaynaklardan biri ise güneştir. Bu kaynaktan yararlanabilmek için günümüzde birçok teknoloji geliştirilmiştir. Güneş enerjisinin toplanması için kullanılan kolektörler ve bu kolektörlerin çeşitli şartlar altında gösterdikleri ısıl performans, bu neden ile çalışmanın ana konusunu şekillendirmiştir. Literatüre baktığımızda ilk başlarda doğrudan rüzgâr hızı ile ilişkilendirilen panellerin ısıl performansı, gün geçtikçe literatürdeki yeni çalışmalar ile başka faktörlere de bağlı olduğunu göstermiştir. Sayısal olarak gerçekleştirilmiş bu çalışmada, indirgenmiş ve gerçek boyutlarda bir konut ölçeklendirilmiş ve bu konut çatısının belirli bir bölgesine güneş kolektörü yerleştirilerek bir çalışma ortamı yaratılmıştır. ANSYS Fluent sayısal analiz programı yardımı ile bu panel farklı rüzgâr hızları, farklı çatı eğim açıları, farklı hücum açıları, farklı ölçek şartları altında analiz edilmiş ve çıkan sonuçlar ile hız ve hız dışındaki değişkenlerin ısıl performansa etkileri raporlanmıştır. Öncelikle literatürde mevcut çalışmalar modellenerek analiz edilmiş ve çalışmanın validasyonu sağlanmıştır. Ardından 1:200 ölçekli model bir ev ve 1:1 gerçek ölçekli ev oluşturulup çatının belirli bir bölgesine kare kolektör yerleştirilerek çalışma ortamı yaratılmış ve bu kolektör yüzeyinden konveksiyon ile gerçekleşen ısı transferi, rüzgârın faklı geliş açıları için incelenmiştir. Çatının belirli bir bölgesine yerleştirilen kare tip kolektör, çatı eğim açısı α=25º, 45º, 60º iken rüzgârın kolektöre 8 farklı açıdan (β=0º, 30º, 45º, 90º, 120º, 135º, 150º, 180º) gelme durumu ve farklı ölçekler için sayısal olarak analiz edilmiştir. 10 farklı Reynolds sayısında bu analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, yapılan analizlerde panel üzerindeki ortalama ısı akısı değeri bulunmuş ve bu değer kullanılarak ısı transfer katsayısı (h), Nusselt sayısı (Nu) ve Colburn j-faktörü hesaplanmıştır. Elde edilen denklemler ve grafiklere göre ısıl performansın sadece hıza değil kolektör özellikleri, karakteristik uzunluk, eğim, geliş yönü, hücum açısı, akışkanın fiziksel özellikleri, akış türü vb. özelliklere de bağlı olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca çatı eğim açıları ve geliş açılarına göre alınan sonuçlarda birbiri ile kıyaslanarak raporlanmıştır.

Abstract:
Renewable energy sources are foreseen as one of the most critical factors in the present and the future in terms of ensuring sustainability and contributing to today's world of consumption. In this context, the sun is one of the most critical resources, the limits of which we cannot even predict. Today, many technologies have been developed to benefit from this resource. For this reason, the collectors used to collect solar energy and the thermal performance of these collectors under various conditions have shaped the main subject of this study. When the literature was reviewed, it was seen that the thermal performance of panels was initially directly associated with wind speed. Still, new studies have gradually been shown to depend on other factors. In this numerical study, a house with reduced and actual dimensions was scaled, and a working environment was created by placing a solar collector on a particular area of the roof. The ANSYS Fluent numerical analyzed this panel under different wind speeds, roof slope angles, angles of attack, and scale conditions. With the results, the effects of speed and variables other than speed on thermal performance were reported. First of all, existing studies in the literature were modeled and analyzed, and the validation of the study was ensured. Then, a 1:200 scale model house and 1:1 real scale house were created, and a square collector was placed on a particular roof area to create a working environment. Then, the heat transfer by convection from this collector surface was examined for different wind attack angles. In the model houses, the square-type collector placed on a particular area of the roof is numerically calculated for the wind attack to the collector from 8 different angles (β = 0º, 30º, 45º, 90º, 120º, 135º, 150º, 180º) when the roof slope angle is α = 25º, 45º, 60º has been analyzed. These analyses were conducted at ten different Reynolds numbers. As a result, in the study performed, the average heat flux value on the panel was calculated, and using this value, the heat transfer coefficient (h), Nusselt number (Nu), and Colburn-j factor were calculated. According to the equations and graphs obtained, it has been determined that thermal performance depends not only on speed but also on collector properties, characteristic length, slope, direction of incidence, angle of attack, physical properties of the fluid, flow type, etc. In addition, the results obtained according to roof slope angles and wind attack angles are reported by comparing them.