Güneş enerjili sıcak su sistemi kolektöründe nanoakışkan kullanımının sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the use of nanofluid in solar water heating system collector
Yazar: ADİLE ŞENEL
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ATMACA
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Düz güneş toplayıcısı = Flat plate solar collector ; Güneş toplayıcıları = Solar collectors ; Nano parçacık = Nano particles ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Günümüzde birçok uygulama alanında ısıl iletkenliği temel akışkana göre yüksek olan nanopartiküllerin temel akışkan içerisine belirli bir oranla katılmasıyla elde edilen nanoakışkanların kullanımının araştırılması ilgi çeken bir konudur. Bu uygulama alanlarından biri de güneş enerjisinden sıcak su elde etmede kullanılan güneş kolektörü sistemleridir. Bu çalışmada düzlemsel güneş enerjili sıcak su sistemi kolektöründe su yerine nanoakışkan kullanımı sayısal olarak incelenmiştir. ANSYS Fluent ile gerçekleştirilen sayısal çalışmada ele alınan problemin çözümü için güneş kolektörü içerisindeki akışkan taşıyan boru ve yutucu yüzey üç boyutlu olarak modellenmiştir. Modele uygun ağ yapısı oluşturulduktan sonra tek fazlı yaklaşım ile sonuçlar elde edilmiştir. İlk olarak oluşturulan sayısal model deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Ayrıca referans alınan deneysel çalışmada bulunmayan farklı parametrelerin araştırılması yapılmıştır. Bu amaca yönelik olarak giriş hızı, ısı akısı ve giriş sıcaklığındaki değişimin kolektör çıkış sıcaklığı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sayısal çalışmada su ve kütlece % 2 konsantrasyona sahip TiO2-SiO2, Fe3O4-SiO2 ve ZnO-SiO2 çekirdek-kabuk nanoakışkanları kullanılmıştır. Akışkanların kolektörden çıkış sıcaklıkları TiO2-SiO2 (NA1) nanoakışkanı için %3.16, Fe3O4-SiO2 (NA2) nanoakışkanı için %3.84 ve ZnO-SiO2  (NA3) nanoakışkanı  için % 3.81  hata ile sayısal olarak hesaplanmıştır. Fe3O4-SiO2 (NA2) ve ZnO-SiO2  (NA3)  için kolektör giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki farkın temel akışkana göre arttığı ancak TiO2-SiO2 (NA1) için net bir atış gözlemlenmediği sonucu elde edilmiştir. Artan ısı akısına bağlı olarak giriş-çıkış sıcaklık farkındaki en büyük artış 1000 W/m2 ısı akısı uygulanan durumda 16.48 ℃ ile Fe3O4-SiO2 (NA2) için gerçekleşmiştir. Artan kolektör giriş sıcaklığına bağlı olarak en yüksek kolektör çıkış sıcaklığı 65.61 ℃ ile Fe3O4-SiO2 (NA2) nanoakışkanı için tespit edilmiştir. Tüm akışkanlar için artan kolektör giriş hızıyla kolektör giriş-çıkış sıcaklık farkının düştüğü belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, it is an interesting subject to investigate the use of nanofluids obtained by adding nanoparticles with higher thermal conductivity compared to the base fluid into the base fluid at a certain rate in many application areas. One of these application areas is solar collector systems used to obtain hot water from solar energy. In this study, the use of nanofluid instead of water in the planar solar hot water system collector was numerically investigated. In order to solve the problem addressed in the numerical study carried out with ANSYS Fluent, the fluid carrying pipe and absorber surface in the solar collector are modeled in three dimensions. After creating the mesh structure suitable for the model, results were obtained with a single-phase approach. Firstly, the numerical model created was verified with experimental results. In addition, different parameters not found in the referenced experimental study were investigated.For this purpose, the effects of the change in inlet velocity, heat flux and inlet temperature on the collector outlet temperature were investigated.In the numerical study, with a concentration of 2% by mass TiO2-SiO2, Fe3O4-SiO2, ZnO-SiO2 core-shell nanofluids and water  were used. The outlet temperatures of the fluids from the collector were calculated numerically with 3.16% error for TiO2-SiO2 (NA1) nanofluid, 3.84% for Fe3O4-SiO2 (NA2) nanofluid, and 3.81% for ZnO-SiO2 (NA3) nanofluid. It was concluded that the difference between the collector inlet and outlet temperatures for Fe3O4-SiO2 (NA2) and ZnO-SiO2 (NA3) increased compared to the base fluid, but no clear increase was observed for TiO2-SiO2 (NA1). Depending on the increasing heat flux, the greatest increase in the inlet-outlet temperature difference occurred for Fe3O4-SiO2 (NA2) with a heat flux of 1000 W/m2 at 16.48 ℃. Depending on the increasing collector inlet temperature, the highest collector outlet temperature of 65.61 ℃ was determined for Fe3O4-SiO2 (NA2) nanofluid. It has been determined that the collector inlet-outlet temperature difference decreases with increasing collector inlet velocity for all fluids.