Atmosfer altı basınçlardaki dairesel kesitli kapalı ortamlarda ısı transferinin nümerik incelenmesi: Yeni nesil güneş toplayıcısı tasarımı
Numerical investigation of heat transfer of the enclosures with circular cross-section at the vacuum pressures: Designing of a new solar collector
Yazar: HALİT ARAT
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ARSLAN
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Atmosfer altı basınç şartlarında düşük sıcaklıkta buharlaşma ve yoğuşma işlemiyle çift fazlı akışın meydana geldiği dairesel kesitli kapalı ortamlarda etkin bir ısı transferi gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, kapsamlı deneysel yöntemler ve yeni bir iki aşamalı birleştirtilmiş nümerik model kullanılarak vakumlu cam ve bakır boruların ısıl performansı üç boyutlu olarak araştırılmıştır. Bu amaçla, Volume of Fluid ve Eulerian çoklu faz modelleri iki aşamalı yeni modelde ele alınmıştır. Sayısal modelin doğrulanması için farklı sıvı hacimleri (5ml, 10ml, 15ml ve 20ml) ve farklı eğim açıları (30o, 45o, 60o ve 90o) kullanılarak vakumlu boru yüzeyinde sıcaklık dağılımı sıvıya dalan kısımda 5 adet teflon izolasyona sahip şaftlı ve diğer kısımlarda 15 adet K tip termokupl olmak üzere toplam 20 farklı noktadan sıcaklık ölçümü ve video ile termal kamerayla kapsamlı bir deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmada, iç çapı, dış çapı ve uzunluğu sırasıyla 26mm, 28mm ve 1500mm olan cam -boru içi fiziksel mekanizmayı detaylı bir şekilde gözlemlemek için- ve bakır boru 6,32kPa mutlak basınç değerine vakumlanarak 355K sıcaklığındaki ısıtıcı su içine daldırılmıştır. Deneysel ve sayısal sıcaklık değerleri her bir zaman adımı için kıyaslanarak ortalama hata oranları bulunmuştur. Hesaplanan bu hata değerleri literatürdeki verilerle karşılaştırılarak sayısal model doğrulanmış ve bu model parametrik (farklı türbülans modelleri, ısı güçleri, vb.) olarak incelenmiştir. Doğrulanan sayısal model kullanılarak literatürde mevcut düzlemsel plakalı güneş kollektöründe giriş ve çıkışı olan borular yerine kapalı vakumlu bakır borular kullanılarak kollektör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımda, farklı boru sayıları için düzlemsel plakalı güneş kollektörünün optimum çalışma şartları araştırılmıştır. Farklı durum ve parametreler için yeni nesil güneş kollektörünün enerji ve ekserji verimleri hesaplanarak en yüksek verime sahip kollektörün tasarımı tamamlanmıştır. 8 borulu yeni nesil güneş kollektörü veriminin referans alınan 10 borulu düzlemsel plakalı güneş kollektörü veriminden yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
Effective heat transfer occurs in closed enclosures with circular cross-sections where multiphase flow occurs with low-temperature evaporation and condensation under sub-atmospheric pressure conditions. In this study, the thermal performance of the vacuumed glass and copper pipes was investigated in 3D using comprehensive experimental methods and a new two-stage numerical model. For this purpose, Volume of Fluid and Eulerian multiphase models are selected in a new two-stage model. For the verification of the numerical model, a comprehensive experimental study was carried out with temperature measurement from 20 different points (five teflon-insulated shafts and fifteen K-type thermocouples) on the surface of the vacuumed pipe by using different liquid volumes (5ml, 10ml, 15ml, and 20ml) and inclination angles (30o, 45o, 60o, and 90o), and a video and thermal camera. In the experimental study, the glass - to observe the physical mechanism inside the pipe in detail - and copper pipe with the inner-outer diameter and length of 26-28mm and 1500mm respectively was vacuumed to 6.32kPa absolute pressure and immersed in heating water at 355K. Average error values were found by comparing the experimental and numerical temperature values for each time step. The numerical model was verified by comparing these calculated error values with the data in the literature, and this model was examined parametrically (different turbulence models, heat powers, etc.). Using the validated numerical model, the collector design was carried out using closed vacuumed copper pipes instead of pipes with inlets and outlets in the flat plate solar collector in the literature. In this design, optimum operating conditions of the collector have been investigated for different pipe numbers. By calculating the energy and exergy efficiencies of the new generation solar collector for different conditions and parameters, the design of the collector with the highest efficiency has been completed. It has been observed that the efficiency of the 8-pipe new generation solar collector is higher than the 10-pipe flat plate solar collector's efficiency.