Parabolik oluk tipi güneş kolektörlerinde nanoakışkan kullanımının ısıl performansa etkisinin deneysel ve sayısal incelenmesi
Experimental and numerical investigation of the effect of nanofluid usage on thermal performance in parabolic trough type solar collectors
Yazar: RECEP EKİCİLER
Danışman: PROF. DR. KAMİL ARSLAN ; PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Entropi üretimi = Entropy generation ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Kollektörler = Collectors

Özet:
Bu çalışmada, parabolik oluk tipi güneş kolektöründeki nanoakışkan akışının ısı ve akış karakteristikleri farklı hacimsel debilerde (20 lt/sa, 40 lt/sa, 60 lt/sa, 80 lt/sa) ve nanopartikül hacimsel oranlarında (%1, %2, %3, %4) deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deney sonuçları ışığında faydalı enerji, kolektör verimi, soğurulan ve atılan enerji parametresi, kolektör giriş-çıkış sıcaklık farkları, kaybolan enerji gibi değişimlerin kolektöre etkisi incelenmiştir. Sayısal çalışmada ise, deneysel çalışmada kullanılan akışkanlara (EG-H2O ve ZnO/EG/H2O) ilave olarak yeni nesil hibrit nanoakışkanlar ile sayısal çözümler gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, üç farklı tip hibrit nanoakışkan (Ag-ZnO/EG-H2O, Ag-TiO2/EG-H2O ve Ag-MgO/EG-H2O) kullanılmıştır. Ayrıca, kolektör performasını arttırmak amacıyla kolektör soğurucusuna akış yönünde iki adet kanatçık eklenerek, kanatçığın kolektör verimi üzerine etkisi incelenmiştir. Sayısal çalışmada gerçeğe yakın sonuçlar elde etmek için SOLTRACE paket programı kullanılarak Monte Carlo Işın İzleme Metodu (MCRT) ile kolektör soğurucusu üzerinde homojen olmayan ısı akısı dağılımı oluşturulmuştur. Nusselt sayısı, sürtünme faktörü, PEC sayısı, entropi üretimi ve Bejan sayısı bu kapsamda incelenen parametrelerdir. Deneysel çalışma sonuçlarına göre, ZnO/EG/H2O  nanoakışkanının ısı transfer ve akış karakteristikleri bakımından baz akışkana (EG-H2O) göre üstünlük sağladığı tespit edilmiştir. Hacimsel debinin ve nanopartikül hacimsel oranın artmasıyla birlikte kolektörün ısı transferi performansının da arttığı saptanmıştır. Ayrıca, kolektör veriminin artan hacimsel debi ve nanopartikül hacimsel oranı ile birlikte yaklaşık %30'a kadar arttığı saptanmıştır. Sayısal analiz sonuçlarında ise, hibrit nanopartiküllü nanoakışkanların tek nanopartiküllü nanoakışkana oranla kolektör içerisindeki taşınımla ısı transferini daha fazla arttırdığı gözlenmiştir. Bunun yanında hibrit nanoakışkanların entropi üretiminin de tek nanoapartiküllü nanoakışkana göre daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Kolektörün ısı transfer performansının soğurucuya kanatçık eklenmesiyle birlikte çok daha yüksek seviyelere ulaştığı elde edilmiştir. Çalışma akışkanı olarak Ag-MgO/EG-H2O  hibrit nanoakışkanının kullanıldığı durumda kanatçıklı soğurucu boru içerisindeki Nusselt sayısının kanatçıksız duruma göre %24'e, sürtünme katsayısının %19'a ve PEC sayısının ise %12'ye varan oranlarda daha yüksek çıktığı saptanmıştır. Kanatçıklı soğurucu boruya sahip olan kolektörde entropi üretiminin kanatçıksız duruma göre daha yüksek çıktığı gözlemlenmiştir. Kanatçıklı soğurucu boru geometrisine sahip kollektör içerisindeki %4 nanopartikül hacimsel oranlı Ag-MgO/EG-H2O  hibrit nanoakışkanının 80 lt/sa debi değerindeki akış şartı parabolik oluk tipi güneş kolektöründe en yüksek ısıl performansın elde edilmesini sağlamıştır.

Abstract:
In this study, experimental and numerical heat and flow characteristics of nanofluid flow in a parabolic trough solar collector were investigated at different volumetric flow rates (20 lt/h, 40 lt/h, 60 lt/h, 80 lt/h) and nanoparticle volume fractions (1%. 2%, 3%, 4%) were experimentally and numerically examined. In the light of the experimental results, the effects of changes such as useful energy, collector efficiency, absorbed and discarded energy parameter, collector inlet-output temperature differences, and lost energy on the collector were investigated. In the numerical study, in addition to the fluids (EG-H2O ve ZnO/EG/H2O) used in the experimental study, numerical solutions with new generation hybrid nanofluids has been carried out. In this context, three different types of hybrid nanofluids (Ag-ZnO/EG-H2O, Ag-TiO2/EG-H2O and Ag-MgO/EG-H2O) were used. In addition, in order to increase the collector performance, two fins were added to the collector absorber in the flow direction and the effect of the fin on the collector efficiency was investigated. In order to obtain realistic data in the numerical study, nonuniform heat flux distribution on the collector absorber was created with the Monte Carlo Ray Tracing Method (MCRT) using the SOLTRACE package program. Nusselt number, friction factor, PEC number, entropy generation and Bejan number were the parameters examined in this context. According to the experimental study results, it was determined that the ZnO/EG/H2O nanofluid is superior to the base fluid (EG-H2O) in terms of heat transfer and flow properties. It was noticed that the heat transfer performance of the collector increases with the increase in the volumetric flow rate and the nanoparticle volume fraction. In addition, it was determined that the collector efficiency increased up to about 30% with increasing volumetric flow and nanoparticle volumetric ratio. In the numerical analysis results, it was observed that the hybrid nanoparticle nanofluids increased the convection heat transfer in the collector more than the single nanoparticle nanofluid. In addition, it has been observed that the entropy generation of hybrid nanofluids is lower than that of single nanoparticle nanofluid. It has been obtained that the heat transfer performance of the collector reaches much higher levels with the addition of fins to the absorber. With the volumetric flow of 80 lt/h and the use of Ag-MgO/EG-H2O  hybrid nanofluid, the Nusselt number with fins is 24% higher, the friction coefficient is 19%, and the PEC number is up to 12% higher than the case without fins. It has been observed that the entropy generation in the collector with the finned absorber tube is higher than the case without fins. The use of Ag-MgO/EG-H2O  hybrid nanofluid provided the best performance in the parabolic trough type solar collector, provided that the volumetric flow rate was 80 lt/h and the nanoparticle volumetric ratio was 4% with the addition of fin to the absorber.