Numerical investigation on solar cavityreceiver in inverted position; influence onthermal impact and efficiency
Dönük pozisyonunda güneşli boşluk alıcısınınsayısal incelenmesi; termal ve verimlilik etkisi
Yazar: SALAR DEYHIM
Danışman: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji, dünyadaki en önemli konulardandır. Max Planck enerjiyi, bir sistemin etki yaratma yeteneği anlamına gelen enerji olarak tanımlar. Güneş gezegenimizin enerji kaynağıdır. Yeryüzündeki tüm enerji dolaylı veya dolaysız olarak güneş tarafından sağlanır. Bu günlerde dünyada fosil yakıtların kullanımı, sera gazı emisyonlarını ve küresel ısınmayı artırmıştır. Bu sorunu önlemek için enerji tedarik kaynaklarını değiştirmeliyiz. Güneş, rüzgar, jeotermal ve biyokütle gibi yenilenebilir kaynaklar, düşünülebilecek konulardan bazılarıdır. Bu arada, güneş enerjisi bolluğu ve bulunabilirliği nedeniyle daha fazla ilgi görüyor. Dünya ile güneş arasındaki ortalama mesafe 14.9× dir. Bu miktar yıl boyunca değişmektedir. Son yıllarda güneş enerjisi alanında çeşitli bilim adamları kapsamlı araştırmalar yapmışlardır. Bu araştırmalar, hesaplama ve laboratuar deneysel olarak yapılmıştır.
Bugün güneş enerjisinden yararlanmanın iki ana yolu vardır. PV panellerinin kullanımı ve güneş enerjisinin ısısından yararlanmaktır. Güneş panelleri, güneş enerjisini direkt elektriğe dönüştürür. Geçmişte, üretilen elektriğin yüksek maliyeti nedeniyle bu panellerin kullanımı makul değildi, ancak bilimin ilerlemesiyle üretilen
elektriğin maliyeti azaldı ve bu da bu panellerin yaygın kullanımına yol açtı. İkinci yontem güneşin ısıl enerjisinden yararlanmaktır. Güneşin ısısı boşluklu alıcılar tarafından emilir ve bu enerji ısı akışkanına iletilir. Güneş alıcıları, çalışma sıcaklığına göre üç kategoriye ayrılır; düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklıklarda çalışan alıcılar. Düşük sıcaklık grupları, genellikle evsel uygulamalarda sıcak kullanım suyu
sağlamak için kullanılır. Enerji santrallerinde güneş enerjisi parabolik alıcılar, Fresnel yansıtıcıları ve güneş kuleleri tarafından toplanır. Parabolik alıcılar, kullanım kolaylığı ve düşük maliyeti nedeniyle daha yaygındır. Bu alıcıların çalışma sıcaklığı ortalama 350°C'dir. Boşluklu alıcılar daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için kullanılır. Boşluklu alıcılarda, güneş ışınları boşluğun yüzeyinde yoğunlaşır. Bu alıcılar üç moddadır; doğrudan ışınlama alıcısı, dolaylı ışınlama alıcısı ve hibrit alıcılar. Boşluklu alıcılarda sıvı cinsine bağlı olarak
1000°C üzerindeki sıcaklıklara ulaşılabilir. Arada reseptörler çok önemlidir. Bu şekilde bazı alıcılar alınan ısıyı doğrudan sıvıya, bazıları ise dolaylı olarak aktarır. Farklı boşluklu alıcı türleri vardır, bazıları güneş ışınlarını doğrudan sıvıya yönlendirir, bazıları da dolaylı olarak. Hava veya diğer gazlar ısı transfer akışkanı olarak kullanılabilir. Bu akışkanlarıları kullanmanın avantajı yüksek çalışma sıcaklığıdır, yani 500°C üzerindeki sıcaklıklarda çalışabilirler, ancak dezavantajları göz ardı edilemez, iletkenlik ve ısı transfer katsayıları
düşüktür. Güneş enerjisi sürekli olarak mevcut değildir. Örnek olarak, bir bulut güneş ışığının yer yüzüne ulaşmasını engelleyebilir. Bulutlar güneş ışığını bloke ettiği zaman ısı transferi akışkanının sıcaklığının
düşmesine sebep olur veya günbatımından sonra enerji üretmek istediğimiz zaman yaygın yöntemlerden biri ısı depolama tanklardan yararlanmaktır. Güneş enerjisi olmadığında ve elektrik üretmek istediğimizde ısı transfer akışkanı ısısını korur ve döngü devam eder. Bu tanklar gün içerisinde güneş enerjisini depolar ve sıcaklık
dalgalanmalarını önler. Ayrıca, gün batımından sonra tesis birkaç saat depolanan enerjiyle çalışabilir.
Bu çalışmanın amacı boşluklu alıcının pozisyonunun performansına etkisini incelemektir. Gaz halindeki ısı transfer akışkanları, yüksek sıcaklıklarda çalışma imkanları oldukları için ilgi çekmektedir. Gaz ısı transferı akışkanlarında ısı transfer katsayısı da düşüktür. Ters çevrilmiş durumda bu akışkan merkezkaç etkisinden dolayı dış duvara yapışır ve temas miktarı artar. Ayrıca merkezkaç etkisinden dolayı dış duvardaki sıvının hızı iç kısım lara gore artmakta ve temas miktarı artmaktadır. Çalışmalar üç farklı bölümde yürütülmektedir.
• Çap değişikliklerinin etkisi
• Akış hızının etkisi
• Alıcının ters konumunun sıvı çıkışı ve sıcaklığı üzerindeki
etkisi
ANSYS FLUENT 17.1, Sonlu Hacim Yöntemine (FVM) dayalı hesaplama bölümünü geliştirmek için kullanılmıştır. Başlangıçta, verilerimizin doğrulanması Awasti sonuçlarıyla yapıldı. Sonuçları karşılaştırarak, arasındaki farkın çoğu durumda% 1.5 'den fazla olmadığına varıldı. İlk kısımda boşluklu alıcıdaki boru çapı artarken yüzey miktarını sabit tutuldu. Sonuç olarak, farklı alıcılarda alınan ısı miktarı sabitti. Sonuçlar, çap arttıkça Nusselt miktarının azaldığını göstermektedir Nusselt sayısı, çap arttıkça azalmaktadır. Sonuçlar, boru çapının
artması Nu üzerinde ters bir etkiye sahip olduğunu gostermektedir. Çap boyutunun %53.6 oranında azalması ile Nu,% 16.96 daha iyi performansa neden oluyor. Borunun çapı, sıvının hızı ile ters orantılıdır; bu da sıvının ısıyı
emmesi için daha fazla zaman veriyor ve çıkışdakı akışkan daha yuksek sıcaklıkla çıkıyor. Kesit alanı incelenerek daha küçük çaplı borunun daha iyi sıcaklık dağılımına sahip olduğu görülebilir. Alıcı içerisindeki akışkan akış hızı incelendiğinde, en yüksek değer olan dış duvara yakın yerlerde merkezkaç kuvvetinin etkisi ile olduğu
görülmektedir. Sonuçlar, çapın basınç düşüşü ile ters orantılı olduğunu göstermektedir. Sonuçlar, çapta % 8.95 azalma ile, basınç düşüşünün % 59,6 arttığını göstermektedir. Bir santralde çok sayıda alıcının kullanılması nedeniyle basınç düşüşünün önemli hale geldiği görülmektedir. Basınç düşüşü miktarının artması ile enerji kaybı
meydana gelir ve bu sorunu dengelemek için daha büyük pompalar kullanılması gerekir sonuçta bu da santral vermini düşürür ve bakım maliyetleri artar. İkinci bölümde, akış hızının etkisi incelenmiştir. Re sayısı artırılarak 
akış hızı üzerine etkisi araştırılmıştır. Re sayısı, hız miktarı ile doğrudan bir ilişkiye sahiptir. Sonuçlar Re sayısını artırarak, Nu sayısında artışlar göstermektedir. Re ve Nu sayılarının birbirleriyle doğrudan ilişkisi vardır. Aynı Re sayısına sahip olunduğunda, daha büyük çaplı boru alıcısı daha yüksek Nu sayısına sahiptir. Sonuçlar, Re 250'de çap boyutunun % 114 artması, Nu miktarının %16.03 arttığını göstermektedir. Akış hızı arttıkça, giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki fark azalır. Akış hızının artırılması aynı zamanda basınç düşüşünü de artırır. Üçüncü bölümde alıcı konumunun etkisi incelenmiştir. Sonuçlar, ters çevrilmiş durumda Re 500 de, Nusselt değerini normal durumuma göre %7.46 daha fazladır. Sonuçlar, ters çevrilmiş durumda borunun
içindeki sıvının sıcaklığının daha iyi dağıldığı da ortadadır bu neden ile güneş ısısı akışkan tarafından daha yuksek mıktarda emilmesine neden olur ve boşluklu alıcının verimi artar. Ayrıca, giriş ve çıkış akışkan sıcaklık farkı çevrilmiş durumda daha yuksek miktardadır.

Abstract:
Energy is the most important issue in the world. Max Planck defines energy in this way: energy means a system's ability to make an impact. The sun is our planet's main power source. All energy on the Earth comes from Sun directly or indirectly ways. Recently, after the industrial revolution, industrialization of the world gets faster and faster. Industrialization makes growth in demand for energy. The main source of energy is fossil fuels. Fossil fuels cause greenhouse gas emissions and global climate change. To avoid this problem, we must change our sources of energy supply. Renewable energy are sources such as solar, wind, geothermal, and biomass. Meanwhile, solar energy is receiving more attention due to its abundance and availability. The average distance between the earth and the sun is 14.9× and this amount changes throughout the year. Following the Sun's movement in the sky to achieve the highest efficiency is necessary and important. Various scientists have conducted extensive research
in the field of solar energy in recent years. These research studies were conducted on pumps, receivers, heat transfer fluids, et. Today there are two major ways to produce electricity from sun's irradiance. Using PV panels that convert sun irradiance to electricity directly, and concentrated solar radiation transfers irradiance heat to working fluid to produce steam (CST). Solar panels convert solar energy directly into electricity. In the past,
these panels' use was not reasonable due to the high cost of generated electricity. Development of science reduces the cost of produced electrical energy, which led to the widespread use of these panels. In CST systems, the sun's thermal energy is absorbed by the receivers, then, the absorbed heat is transferred to the working fluid. Working
fluid generates steam in a boiler. Steam goes to a turbine and rotates it. The turbine is connected to the generator by the shaft, so electricity is producing. Solar receivers are divided into three main categories based on operating temperature; low temperature, medium temperature, and high temperature. Low-temperature ones are mainly used in residential applications to provide domestic hot water. Power plants benefit medium and high range temperatures by using parabolic trough, concentrator solar dish, and solar towers. Parabolic troughs are more common due to their easy usage and lower initial cost, and the operating temperature of these receivers is about
350°C degrees. The parabolic dish has been used to achieve higher temperatures. Depending on the type of fluid, it can reach temperatures above 1000°C degrees. In this way, some receivers transfer the absorbed heat directly to the fluid and other types transfer heat indirectly. There are also different types of cavity receivers. Water, oil, molten salt, air, and carbon dioxide can be used as heat transfer fluid. The advantage of using gaseous fluid is the ability to work at high temperatures. They can work at temperatures above 500 °C degrees, but their negative aspects like low conductivity and low heat transfer coefficient cannot be disregarded. Based on the unsteady nature of solar irradiance, different methods have been used to compensate for this problem; one of the most common methods is using a storage tank in the system. Sun irradiance not available all the time, maybe the clouds block the solar irradiance or night and there is no sun irradiance. Storage tanks charge by solar
heat during the day and discharge when need to prevent temperature fluctuations. Also, after sunset, the plant can be run by stored energy for several hours. The purpose of the study is to investigate cavity receiver when
working fluid is air. The investigation was done in three main parts, diameter variation influence on Nu, pressure drop, outlet temperature, and temperature distribution. Flow rate effect on Nu, pressure changes, temperature distribution, and finally cavity position effects were examined comprehensively. ANSYS FLUENT 17.1 has been
used to develop the computational part based on the Finite Volume Method (FVM). Gas fluids have a low heat transfer coefficient. In the inverted state, this fluid sticks to the outer wall due to the centrifugal effect.
Therefore, the amount of contacted molecules to the heated surface increases. Also, the centrifugal effect causes the velocity of the fluid near the outer surface to increase. For these reasons, using cavity receivers in an inverted position gives better performance. The studies conducted in three different sections:
 Investigating the effect of diameter variation.
 Investigating the effect of flow rate.
 The position impact on the fluid and outlet temperature.
Initially, our data validation was done by comparing it with the Awasthi results[1]. It can be concluded that the maximum difference between results is 1.5%. At the first step, the influence of the variation of pipe diameter at constant surface area was examined. As a result, the received heat in different receivers remains constant.
Results show increasing pipe diameter has an inverse effect on Nu, which by 53.6% reducing in diameter size; Nu has 16.96% better performance. Re and Nu have a direct relation with each other. In the same Re amount, bigger diameter pipe receiver has better Nu performance. Secondary flow is created due to the cavity turn, which at inlet we do not see any secondary flow effects. By increasing the number of turns in cavity receiver, secondary flow force get stronger, and, temperature distribution is affected by the secondary force. As the constant mass flow rate, biggest cross-section pipe has lower velocity, which is in line with the continuity law. Lower velocity
gives this opportunity to the fluid to have more time to absorb heat and achieve higher outlet temperature. The study also shows that at smaller cross-sections the temperature dispersion improves. Find outs show that diameter has an inverse relation with pressure drop. As a result of 8.95% reduction in diameter, the pressure drop
has increased by 59.6%. Due to the large number of receivers in a power plant, pressure drops become a major issue. The effect of flow velocity is investigated. Flow rate has direct relation with Nu. The results show a 39.7% increase in Nu for Case1 followed by a 147.2% increase in Re. Flow rate has inverse effect on outlet temperature that results 100% increase in Re, 50% decrease temperature differences. The effect of the receiver orientation was also studied. The results show that the cavity receiver in the inverted position for Re= 500, the
Nusselt value is 7.46% better than the normal state. Figures also illustrate in the inverted state the temperature in cross-sections of the tube is better distributed. Also, the difference between inlet and outlet temperature of the cavity receiver in inverted state is 16.65% more than the normal position; it shows inverted position has higher efficiency and better performance in heat absorption