HEAT TRANSFER STUDIES ON SOLAR AIR HEATERS FOR PERFORMANCE IMPROVEMENT
DIGPAL KUMAR
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY DELHI
NOVEMBER 2020
ยฉIndian Institute of Technology Delhi (IITD), New Delhi, 2020
HEAT TRANSFER STUDIES ON SOLAR AIR HEATERS FOR PERFORMANCE IMPROVEMENT
by
Digpal Kumar
Department of Mechanical Engineering
Submitted
in fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy
to the
Indian Institute of Technology Delhi
NOVEMBER 2020
Dedicated to My Parents and Friends
Certificate
This is to certify that the thesis entitled โHeat Transfer Studies on Solar Air Heaters for Performance Improvementโ being submitted by Mr. Digpal Kumar to the Indian Institute of Technology Delhi for the award of the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY is a record of the original bonafide research carried out by him. He has worked under our guidance and supervision and has fulfilled the requirements for the submission of the thesis. The results presented in this thesis have not been submitted in part or full to any other University or Institute for award of any degree or diploma.
Prof. B. Premachandran
Professor
Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology Delhi Hauz Khas, New Delhi-110 016, India
New Delhi
i
Acknowledgements
First and foremost, I am grateful to the merciful Almighty for his uncountable blessings.
I would like to express my heartfelt gratitude to my supervisor, Prof. B. Premachandran, for all his invaluable guidance, endless assistance, and encouragement during this dissertation work.
He has been constantly encouraged and motivated me in every step right from the beginning.
His constant zeal for work and enthusiasm have always kept me involved in this work and motivated me to strive for excellence.
I am thankful to Prof. M. R. Ravi, Prof. P. Talukdar and Prof. V. Buwa as my committee members. Their educational guidance, questions and incentive through valuable advice relating my research during my presentations, were very useful to my thought process. I would like to thank the technical staff of Heat Transfer Research laboratory, Mr. Rajender Singh, who helped me in the establishment of the experimental set ups and in extending all the facilities required.
The ideas and inspiration drawn from my friends have been equally important during this period. I hereby express my gratitude towards my lab mats Dr. Sourav Kumar, Mr. Nikhil Kumar Singh, Dr. Sharad N. Pachpute, Dr. B. M. Ningegowda, Dr. Kulpdip Singh, Mr. Thamil Kumaran, Mr. Rohit Kumar and Mr. Giridhar Jambre. I would like to take this opportunity to thank Mr. Kaushlendra Dubey, Mr. Nikhil Kumar, Mr. Mahendra Gupta and Abhishek sit whose association during my PhD work made memorable.
I am deeply indebted to my spiritual Guru, Sri Yogi Anand Kumar for his blessings.
Finally, I would like to thank my family for their support and faith in me. They have always been a source of encouragement and have helped me at every stage of my academic and personal life. I would like to thank my beloved parents, sisters and brothers for their life-long support, everlasting love, and sacrifices, which sustained my interest in research and motivated me towards the successful completion of this study. I owe you all much more than I can possibly express.
New Delhi Digpal Kumar
ii
Abstract
Solar air heaters (SAHs) are widely used for heating of building and drying of agricultural products. SAHs are mainly based on force convection or natural convection. For a force convection based SAH, a blower is required to blow the air through the air heater channel. In the natural convection based SAHs, flow of air inside the air heater channel occurs due to buoyancy force and no blower is required. In many applications, free convection based solar air heaters are preferred as there is no requirement of blower and easy maintenance.
Furthermore, it is easy to fabricate, noise-free, durable and require low maintenance cost.
Despite extensive studies on natural convection based solar air heaters, several issues have not been properly addressed such as flow transition in inclined channel, effect of atmospheric wind, detailed flow and heat transfer analysis with different fin configurations and porous medium at the outlet.
The following four problems have been investigated in the present study: (i) the effect of atmospheric wind on the performance of natural convection based solar air heaters, (ii) the effect of fins on the bottom side of the absorber plate and the identification of an optimum arrangement of fins for higher heat transfer with less material (iii) the effect of flow resistance at the exit of the channel on the natural convection heat transfer inside the solar air heaters, (iv) laminar, transition and turbulent regimes in a natural convection based solar air heater. In the present work, numerical and experimental investigations have been performed for the natural convection based solar air heaters. Numerical simulations have been carried out by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulations (LES) models. To perform the experiments, an experimental set-up has been fabricated.
A detailed numerical investigation has been carried out in this work to understand the effect of atmospheric wind on heat transfer in natural convection based solar air heaters. A 3D
iii
inclined rectangular channel has been considered for the numerical simulations. The top wall of the channel is maintained at constant heat flux condition, and the other walls of the channel are assumed to be adiabatic in all the simulations. For heat transfer calculations, combined convection and surface radiation is considered in the present study. All the inner surface of the walls of the channel are assumed to be black and the emissivity, ๐ of the plates are taken to be 0.95. The numerical simulations are carried out by varying the values of heat flux, ๐โฒโฒ = 250 W/m2, 500 W/m2 and 750 W/m2, velocity of the atmospheric wind, Vwind = 0.0, 0.2, 0.6, and 1.0 m/s, and the inclination angle of the channel, ๐ =15ยฐ, 30๏ฐ, 45๏ฐ, and 60๏ฐ. In the parametric study, various directions of free stream flow are also considered such as cross flow over the channel, along the main flow direction of the channel and the diagonal to the channel. It is shown that the mass flow rate starts to drop beyond an angle of inclination of 45 degrees in the presence of atmospheric wind, which is not the case for still conditions with no wind.
To obtain an optimum fin arrangement in a natural convection based solar air heater with a rectangular fin array attached to the bottom side of the absorber for better heat transfer and higher mass flow rate of heated air, a numerical study have been performed and the results have been presented for various fin sizes and spacing between the fins. An inclined rectangular channel similar to the dimensions of a typical solar air heater has been considered for this study.
Three different fin configurations viz. continuous long fins for the whole length of the channel, inline interrupted and staggered interrupted arrangements of fins have been studied. The present analysis aims to identify the optimum configuration of the fin array for enhanced heat transfer. The spacing between the fins and the height of the fins are varied to obtain an optimum configuration. The numerical simulations are performed for the heat flux, ๐โฒโฒ of 250 W/m2, 500 W/m2 and 750 W/m2 on the absorber plate. The inclination angles of the channel, ๐ considered in the parametric study are 15ยฐ, 30๏ฐ, and 45๏ฐ with respect to the horizontal plane.
The results show that with the spacing between fins, S = 5.4 cm performs better in the case of
iv
longitudinal continuous fin arrangement. On the other hand, a fin spacing of 4.75 cm shows higher heat transfer in the case of staggered fin configuration. Compared to nine long uninterrupted fins, using the staggered arrangement with 15ร10 fins saves up to 33% of fin material for same heat transfer.
The effect of flow resistance due to the presence of porous medium representing agricultural products at the exit of free convection based solar air heater has been studied experimentally and numerically. An air heater has been developed as an inclined channel and integrated with a drying chamber to conduct the experiments. Constant heat flux condition is provided by electrical heating on the top absorber plate of the channel. Experiments have been conducted for heat flux ranging from 250 to 750 W/m2 for the channel inclination angle of 30o. The height of porous material bed has also been varied in the drying chamber while the porosity is set at 0.36. In the numerical study, the surface-to-surface radiation model has also been considered for the modelling of heat transfer within the channel. For all the heat flux values considered in the experiments, numerical simulations have been performed for the inclination angles of 15ยฐ, 30ยฐ and 45ยฐ. In this analysis, the temperature distribution in the channel wall, the flow pattern, the difference in the mass flow rate and temperature of the outlet air have been investigated with different heights of the porous medium. For the porous medium thicknesses of 63 mm and 126 mm in the chamber, the mass flow rate is reduced by approximately 20% and 30%, respectively for all the heat flux values considered in this study.
The natural convection flow transition from laminar to turbulent inside a parallel plate channel has been studied numerically at the angles of inclinations of 15ยฐ, 30ยฐ and 60ยฐ with respect to horizontal plane. A numerical study has been carried out using the large eddy simulations (LES) to understand the flow transition from laminar to turbulent. To carry out the numerical investigations, a three dimensional rectangular channel is considered. The top plate of the channel is exposed to the constant heat flux condition of 250 W/m2 and the bottom wall
v
is assumed to be adiabatic. Periodic boundary conditions are applied to the sides of the channel.
In this study, the main focus is on the effect of the angle of inclination on the flow transition from laminar to turbulent and the development of thermal boundary layer in the channel at different angles of inclination. The results indicate that due to the rapid growth of both the velocity and thermal boundary layers, the early transition occurs at the lower angle of inclination of the channel with respect to horizontal plane. The temperature distributions obtained at various cross sections show that strong mixing occurs at the lower angle of inclination relatively at the early stage of the flow.
เคธเคพเคฐ
เคเฅเคทเคฟ เคเคคเฅเคชเคพเคฆ เฅเค เคเฅ เคทเคฟเคฐเฅเคพเคพเคฃ เคเคฐ เคธเฅเคเคพเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเคพ เคตเฅเคฏเคพเคชเค เคฐเฅเคช เคธเฅ เคเคชเคฏ เค เคทเคเคฏเคพ
เคเคพเคคเคพ เคนเฅเฅค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคฐเฅเฅเคเฅเคฏ เคฐเฅเคช เคธเฅ เคฌเคฟ เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคฏเคพ เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคชเคฐ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคน เคคเฅ เคนเฅเคเฅค เคเค เคฌเคฟ
เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเฅ เคทเคฟเค, เคเคฏเคฐ เคนเฅเคเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฐเฅเคพเคงเฅเคฏเคฐเฅ เคธเฅ เคนเคตเคพ เค เคเคกเคพเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคเค เคฌเฅเคฒ เค เคฐ เคเฅ เคเคตเคถเฅเคฏเคเคคเคพ เคน เคคเฅ เคนเฅเฅค เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคฐเฅเฅเค, เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ
เค เฅเคเคฆเคฐ เคนเคตเคพ เคเคพ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเคคเฅเคชเฅเคฒเคพเคตเคฟ เคฌเคฟ เคเฅ เคเคพเคฐเคฃ เคน เคคเคพ เคนเฅ เคเคฐ เคทเคเคธเฅ เคงเฅเฅเคเคเคฟเฅ เคเฅ เคเคตเคถเฅเคฏเคเคคเคพ เคฟเคนเฅเฅเค เคน เคคเฅ เคนเฅเฅค
เคเค เค เคฟเฅเคชเฅเคฐเคฏ เค เฅเค เคฐเฅเฅเค, เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เฅเค เค เคชเฅเคฐเคพเคฅเคทเคฐเฅเคเคคเคพ เคฆเฅ เคเคพเคคเฅ เคนเฅ เคเฅ เฅเคเคทเค เคฌเฅเคฒ เค เคฐ เคเฅ เค เค เคเคตเคถเฅเคฏเคเคคเคพ เคฟเคนเฅเฅเค เคน เคคเฅ เคนเฅเฅค เคเคธเคเฅ เค เคฟเคพเคตเคพ, เคฏเคน เคเคธเคพเคฟ เคนเฅ, เคถ เคฐ-เคฐเฅเฅเคเฅเคค, เคทเคเคเคพเค เคเคฐ เคเคฐเฅ
เคฐเคเคฐเคเคพเคต เคฟเคพเคเคค เคเฅ เคเคตเคถเฅเคฏเคเคคเคพ เคนเฅเฅค เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เฅเค เคชเคฐ เคตเฅเคฏเคพเคชเค เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ
เคเฅ เคฌเคพเคตเคเฅเคฆ, เคเค เคฐเฅเฅเคฆเฅ เฅเค เค เค เฅเค เคธเฅ เคธเฅเคเคฌ เคทเคงเคค เคฟเคนเฅเฅเค เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅ เคเฅเคธเฅ เคทเค เคเฅเคเคพเคต เคเฅเคฟเคฟ เคฐเฅเฅเค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ, เคตเคพเคฏเฅเคฐเฅเฅเคเคกเคฟเฅเคฏ เคนเคตเคพ เคเคพ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต, เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เคทเคฟเคฟ เคเฅเคจเฅเคซเคผเคฟเคเคฐเฅเคถเคฟ เคเฅ เคธเคพเคฅ เคทเคตเคธเฅเคคเฅเคค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคทเคตเคถเฅเคฒเฅเคฟเคฃ เคเคฐ เคทเคฟเคเคพเคธ เคฐเฅเฅเค เคเคฐเคเคฐเคพ เคฐเฅเคพเคงเฅเคฏเคฐเฅเฅค
เคตเคคเคพเคฐเฅเคพเคฟ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค เคทเคฟเคฎเฅเคจเคทเคฟเคจเฅเคเคค เคเคพเคฐ เคธเคฐเฅเคธเฅเคฏเคพเคเฅเค เคเฅ เคเคพเฅเคเค เคเฅ เคเค เคนเฅ: (i) เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ
เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เฅเค เคเฅ เคชเฅเคฐเคฆเคถเคพเคฟ เคชเคฐ เคตเคพเคฏเฅเคฐเฅเฅเคเคกเคฟเฅเคฏ เคชเคตเคฟ เคเคพ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต, (ii) เค เคตเคถ เคฟเค เคชเฅเคฒเฅเค เคเฅ เคฟเฅเคเฅ เคเฅ
เคคเคฐเคฟ เคทเคฟเคฟ เคเคพ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต เคเคฐ เคเคฐเฅ เคธเคพเคฐเฅเคเฅเคฐเฅ เคเฅ เคธเคพเคฅ เคเคเฅเค เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเฅ เคทเคฟเค เคทเคฟเคฟ เคเฅ เคเค เคเคทเฅเคเคคเคฐเฅ
เคตเฅเคฏเคตเคธเฅเคฅเคพ เคเฅ เคชเคนเคเคพเคฟ (iii) เคธเฅเคฐ เคนเคตเคพ เคเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเฅ เค เฅเคเคฆเคฐ เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคชเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฌเคพเคนเคฐ เคทเคฟเคเคฟเคฟเฅ เคชเคฐ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคชเฅเคฐเคทเคคเคฐ เคง เคเคพ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต, (iv) เคเค เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคฐเฅเฅเค เคฟเฅเคทเคฐเฅเคฟเคพเคฐ, เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ เคเคฐ เค เคถเคพเฅเคเคค เคเฅเคทเฅเคคเฅเคฐเฅค เคตเคคเคพเคฐเฅเคพเคฟ เคเคพเคฏเคพ เคฐเฅเฅเค, เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เฅเค เคเฅ เคทเคฟเค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคเคฐ เคชเฅเคฐเคฏ เคเคพเคคเฅเคฎเค เคเคพเฅเคเค เคเฅ เคเค เคนเฅเฅค เคฐเฅเคฟเฅเคฒเฅเคกเฅเคธ-เคเคตเคฐเฅเคเฅเคก เคฟเฅเคทเคตเคฏเคฐ-เคธเฅเค เคเฅเคธ (RANS) เคเคฐ เคฟเคพเคเคพ เคเคกเฅเคกเฅ
เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ (LES) เคฐเฅเฅเคกเคฟ เคเคพ เคเคชเคฏ เค เคเคฐเคเฅ เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ เคทเคเค เคเค เคนเฅเคเฅค เคชเฅเคฐเคฏ เค เฅเค เค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค, เคเค เคชเฅเคฐเคฏ เคเคพเคคเฅเคฎเค เคธเฅเค-เค เคช เคคเฅเคฏเคพเคฐ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค
เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคเคเคพเคพ เคนเฅเคเคฐ เฅเค เคฐเฅเฅเค เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคชเคฐ เคตเคพเคฏเฅเคฐเฅเฅเคเคกเคฟเฅเคฏ เคนเคตเคพ เคเฅ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต เค เคธเคฐเฅเคเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคเคธ เคเคพเคฏเคพ เคฐเฅเฅเค เคเค เคทเคตเคธเฅเคคเฅเคค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคเคพเฅเคเค เคเฅ เคเค เคนเฅเฅค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ เคเฅ เคทเคฟเค เคเค 3 เคกเฅ เคเคเฅเคเฅเค เคเคฏเคคเคพเคเคพเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคชเคฐ เคทเคตเคเคพเคฐ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคถเฅเคฟเคพ เคฆเฅเคตเคพเคฐ เค เคทเคฟเคฐเฅเคเคคเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคฐเฅเฅเค เคฌเคฟเคพเค เคฐเคเคพ เคเคพเคคเคพ เคนเฅ, เคเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เค เคจเฅเคฏ เคฆเฅเคตเคพเคฐ เฅเค เค เคธเคญเฅ เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ เคฐเฅเฅเค เคเคทเคกเคฏเคพเคฌเฅเคทเคเค เคฐเฅเคพเคฟเคพ
เคเคพเคคเคพ เคนเฅเฅค เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเคฃเคฟเคพ เคเฅ เคทเคฟเค, เคตเคคเคพเคฐเฅเคพเคฟ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค เคธเฅเคเคฏเฅเคเฅเคค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคฐ เคธเคคเคน เคทเคตเคทเคเคฐเคฃ เคฐเฅเคพเคฟเคพ
เคเคพเคคเคพ เคนเฅเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฆเฅเคตเคพเคฐ เฅเค เคเฅ เคธเคญเฅ เคเฅเคเคคเคฐเคฐเค เคธเคคเคน เค เคเคพเคฟเคพ เคเคฐ เคเคคเฅเคธเคเคพเคฟ เคฐเฅเคพเคฟเคพ เคเคพเคคเคพ เคนเฅ, เคชเฅเคฒเฅเค เฅเค เคเคพ ฮต 0.95 เคทเคฟเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคฐเฅเคพเคฟ เฅเค เค เค เคฟเค-เค เคฟเค เคเคฐเคเฅ เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ เคทเคเค เคเคพเคคเฅ เคนเฅเค,
๐โฒโฒ= 250 W/m2, 500 W/m2 เคเคฐ 750 W/m2, เคตเคพเคฏเฅเคฐเฅเฅเคเคกเคฟเฅเคฏ เคนเคตเคพ เคเคพ เคตเฅเค, เคทเคตเคทเคตเคก = 0.0, 0.2, 0.6, 0.6 เคเคฐ 1.0 m/s, เคเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเคพ เคเฅเคเคพเคต เค เคฃ, ๐ = 15ยฐ, 30๏ฐ, 45๏ฐ, เคเคฐ 60๏ฐเฅค เคชเฅเคฐเคพเคฐเฅเฅเคทเคเคฟเค เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค, เคซเฅเคฐเฅ
เคธเฅเคเคฟเฅเคฐเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เคทเคฆเคถเคพเคเฅเค เค เคญเฅ เคฐเฅเคพเคฟเคพ เคเคพเคคเคพ เคนเฅ เคเฅเคธเฅ เคเฅเคฟเคฟ เคชเคฐ เคเฅเคฐเฅเคธ เคซเฅเคฒ , เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฐเฅเฅเคเฅเคฏ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคทเคฆเคถเคพ เคเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคทเคฟเค เคทเคตเคเคฃเคพเฅค เคฏเคน เคทเคฆเคเคพเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅ เคทเค เคตเคพเคฏเฅเคฐเฅเฅเคเคกเคฟเฅเคฏ เคนเคตเคพ เคเฅ เคเคชเคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคฐเฅเฅเค เคฆเฅเคฐเคตเฅเคฏเคฐเฅเคพเคฟ
เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฆเคฐ 45 เคทเคกเคเฅเคฐเฅ เคเฅ เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เค เคฃ เคธเฅ เคชเคฐเฅ เคทเคเคฐเคฟเคพ เคถเฅเคฐเฅ เคน เคเคพเคคเฅ เคนเฅ, เค เคทเค เค เคญเฅ เคคเค เค เค เคนเคตเคพ เคฟเคนเฅเฅเค เคเฅ
เคธเคพเคฅ เคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคเฅ เคทเคฟเค เคฐเฅเคพเคฐเฅเคฟเคพ เคฟเคนเฅเฅเค เคนเฅเฅค
เคเค เคฌเฅเคนเคคเคฐ เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธ เคฟเคฐ เคเคฏเคฐ เคนเฅเคเคฐ เคฐเฅเฅเค เคเค เคเคฏเคคเคพเคเคพเคฐ เคทเคฟเคฟ เคตเฅเคฏเคตเคธเฅเคฅเคพ เคชเฅเคฐเคพเคชเฅเคค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ
เคทเคฟเค เคฌเฅเคนเคคเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเฅ เคทเคฟเค เคเค เคเคฏเคคเคพเคเคพเคฐ เคทเคฟเคฟ เคธเคฐเคฃเฅ เคเฅ เคธเคพเคฅ เคเฅเคกเคพ เคนเฅเค เคนเฅ เคเคฐ เคเคฐเฅเคพ เคนเคตเคพ เคเฅ
เคเคเฅเค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฆเคฐ, เคเค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅ เคเคฐ เคชเคฐเคฐเคฃเคพเคฐเฅ เคนเฅเค เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ เคเคเคพเคฐ เคเคฐ เคชเฅเคเค เฅเค
เคเฅ เคฌเฅเค เค เฅเคเคคเคฐ เคเฅ เคทเคฟเค เคชเฅเคฐเคธเฅเคคเฅเคค เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคเคธ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคเฅ เคทเคฟเค เคเค เค เฅเค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเฅ เคเคฏเคพเคฐเฅ เฅเค เคเฅ
เคธเคฐเฅเคพเคฟ เคเค เคเฅเคเคพเคต เคเคฏเคคเคพเคเคพเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคชเคฐ เคทเคตเคเคพเคฐ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคคเฅเคฟ เค เคฟเค-เค เคฟเค เคทเคฟเคฟ เคเฅเคจเฅเคซเคผเคฟเคเคฐเฅเคถเคฟเฅค
เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคชเฅเคฐเฅ เคฟเฅเคเคฌเคพเค เคเฅ เคทเคฟเค เคฟเคเคพเคคเคพเคฐ เคฟเฅเคเคฌเฅ เคชเฅเคเค, เคเคฟเคฟเคพเคเคฟ เคฌเคพเคทเคงเคค เคเคฐ เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ เคเฅเคเคทเคชเคค เคตเฅเคฏเคตเคธเฅเคฅเคพ เคเคพ
เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคตเคคเคพเคฐเฅเคพเคฟ เคทเคตเคถเฅเคฒเฅเคฟเคฃ เคเคพ เคเคฆเฅเฅเคถเฅเคฏ เคฌเคขเคพเคฏเคพ เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเฅ เคทเคฟเค เคทเคฟเคฟ เคธเคฐเคฃเฅ เคเฅ
เคเคทเฅเคเคคเคฐเฅ เคเฅเคจเฅเคซเคผเคฟเคเคฐเฅเคถเคฟ เคเฅ เคชเคนเคเคพเคฟ เคเคฐเคฟเคพ เคนเฅเฅค เคเค เคเคทเฅเคเคคเคฐเฅ เคทเคตเคจเฅเคฏเคพเคธ เคชเฅเคฐเคพเคชเฅเคค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคชเฅเคเค เฅเค เคเคฐ เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ
เคเฅเคเคเคพเค เคเฅ เคฌเฅเค เค เฅเคเคคเคฐ เคทเคญเคจเฅเคจ เคน เคคเคพ เคนเฅเฅค เค เฅเคเคเฅเคฏ เคชเฅเคฒเฅเค เคชเคฐ 250 W/m2, 500 W/m2 เคเคฐ 750 W/m2 เคเฅ เคเคฐเฅเฅ
เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคทเคฟเค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ เคทเคเค เคเคพเคคเฅ เคนเฅเคเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคเฅเคเคพเคต เค เคฃ, เคชเฅเคฐเคพเคฐเฅเฅเคทเคเคฟเค เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค เคฐเฅเคพเคฟเคพ
เคเคพเคคเคพ เคนเฅ เคเฅเคทเฅเคทเคคเค เคทเคตเคฐเฅเคพเคฟ เคเฅ เคธเฅเคเคฌเฅเคเคง เคฐเฅเฅเค 15ยฐ, 30๏ฐ, เคเคฐ 45๏ฐ เคนเฅเคเฅค เคชเคฐเคฐเคฃเคพเคฐเฅ เคฌเคคเคพเคคเฅ เคนเฅเค เคทเค เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ เคฌเฅเค เคฐเคฐเคจเฅเคเฅเคค เคเฅ
เคธเคพเคฅ, เคเคธ = 5.4 เคธเฅเคฐเฅเฅ เค เคฟเฅเคฆเฅเคงเฅเคฏเคพ เคทเคฟเคฐเฅเคเคคเคฐ เคทเคฟเคฟ เคตเฅเคฏเคตเคธเฅเคฅเคพ เคเฅ เคฐเฅเคพเคฐเฅเคฟเฅ เคฐเฅเฅเค เคฌเฅเคนเคคเคฐ เคชเฅเคฐเคฆเคถเคพเคฟ เคเคฐเคคเคพ เคนเฅเฅค เคฆเฅเคธเคฐเฅ เคเคฐ, 4.75 เคธเฅเคฐเฅเฅ เคเฅ เคเค เค เฅเคเคทเคคเคฐเฅ เคฐเคฐเคจเฅเคเฅเคค เคเฅเคเคทเคชเคค เคทเคฟเคฟ เคเฅเคจเฅเคซเคผเคฟเคเคฐเฅเคถเคฟ เคเฅ เคฐเฅเคพเคฐเฅเคฟเฅ เคฐเฅเฅเค เคเคเฅเค เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคทเคฆเคเคพเคคเฅ
เคนเฅเฅค เคฟเฅ เคฟเฅเคเคฌเฅ เคทเคฟเคฌเคพเคพเคง เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ เคคเฅเคฟเคฟเคพ เคฐเฅเฅเค, 15ร10 เคชเฅเคเค เฅเค เคเฅ เคธเคพเคฅ เคเฅเคเคทเคชเคค เคตเฅเคฏเคตเคธเฅเคฅเคพ เคเคพ เคเคชเคฏ เค เคเคฐเคฟเฅ เคธเฅ เคธเคฐเฅเคพเคฟ
เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเฅ เคทเคฟเค 33% เคคเค เคทเคฟเคฟ เคธเคพเคฐเฅเคเฅเคฐเฅ เคฌเคเคคเฅ เคนเฅเฅค
เคฐเฅเฅเคเฅเคค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคเคงเคพเคฐเคฐเคค เคธเฅเคฐ เคตเคพเคฏเฅ เคนเฅเคเคฐ เคเฅ เคทเคฟเคเคพเคธ เคชเคฐ เคเฅเคทเคฟ เคเคคเฅเคชเคพเคฆ เฅเค เคเคพ เคชเฅเคฐเคทเคคเคทเคฟเคทเคงเคคเฅเคต เคเคฐเคฟเฅ เคตเคพเคฟเฅ
เคเคฐเคเคฐเคพ เคฐเฅเคพเคงเฅเคฏเคฐเฅ เคเฅ เคเคชเคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคเฅ เคเคพเคฐเคฃ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคชเฅเคฐเคทเคคเคฐ เคง เคเคพ เคชเฅเคฐเคญเคพเคต เคชเฅเคฐเคฏ เคเคพเคคเฅเคฎเค เคเคฐ เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคฐเฅเคช เคธเฅ
เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคเค เคเคฏเคฐ เคนเฅเคเคฐ เค เคเค เคเฅเคเคพเคต เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฐเฅเคช เคฐเฅเฅเค เคทเคตเคเคทเคธเคค เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅ เคเคฐ เคชเฅเคฐเคฏ เค เฅเค เคเฅ เคธเฅเคเคเคพเคฟเคฟ เคเฅ เคทเคฟเค เคเค เคธเฅเคเคพเคฟเฅ เคเคเฅเคท เคเฅ เคธเคพเคฅ เคเคเฅเคเฅเคค เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคถเฅเคฟเคพ เค เคตเคถ เคฟเค เคชเฅเคฒเฅเค เคชเคฐ เคทเคฌเคเคฟเฅ เคเฅ เคนเฅเคทเคเฅเคเค เคฆเฅเคตเคพเคฐเคพ เคฟเคเคพเคคเคพเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคชเฅเคฐเคฆเคพเคฟ เคเฅ เคเคพเคคเฅ เคนเฅเฅค 30o เคเฅ เคเฅเคฟเคฟ เคเฅเคเคพเคต เค เคฃ เคเฅ เคทเคฟเค 250 เคธเฅ 750 W/m2 เคคเค เคเฅ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคทเคฟเค เคชเฅเคฐเคฏ เค เฅเค เคเคพ เคเคฏ เคเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคถเฅเคทเฅเค เคเคเฅเคท เคฐเฅเฅเค เคเคฐเคเคฐเคพ เคธเคพเคฐเฅเคเฅเคฐเฅ เคเฅ เคเฅเคเคเคพเค เคญเฅ เคทเคญเคจเฅเคจ-เคทเคญเคจเฅเคจ เคฐเคนเฅ เคนเฅ, เคเคฌเคทเค เคช เคฐเคทเคธเคเฅ 0.36 เคชเคฐ เคธเฅเค เคนเฅเฅค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค
เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค, เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคญเฅเคคเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคนเคธเฅเคคเคพเฅเคเคคเคฐเคฃ เคเฅ เคฐเฅเฅเคกเคทเคฟเฅเคเค เคเฅ เคทเคฟเค เคธเคคเคน เคธเฅ เคธเคคเคน เคทเคตเคทเคเคฐเคฃ เคฐเฅเฅเคกเคฟ เคชเคฐ เคญเฅ
เคทเคตเคเคพเคฐ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคชเฅเคฐเคฏ เค เฅเค เคฐเฅเฅเค เคทเคตเคเคพเคฐ เคทเคเค เคเค เคธเคญเฅ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฐเฅเฅเคฒเฅ เฅเค เคเฅ เคทเคฟเค, เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ
15ยฐ, 30ยฐ เคเคฐ 45ยฐ เคเฅ เคเฅเคเคพเคต เค เคฃ เคเฅ เคทเคฟเค เคทเคเค เคเค เคนเฅเคเฅค เคเคธ เคทเคตเคถเฅเคฒเฅเคฟเคฃ เคฐเฅเฅเค, เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคฆเฅเคตเคพเคฐ เคฐเฅเฅเค เคคเคพเคชเคฐเฅเคพเคฟ
เคทเคตเคคเคฐเคฃ, เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคชเฅเคเคฟเคพ, เคฌเคกเฅ เคชเฅเคฐเฅเคพเคฟเฅ เคชเคฐ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฆเคฐ เคเคฐ เคเคเคเคฟเฅเค เคนเคตเคพ เคเฅ เคคเคพเคชเคฐเฅเคพเคฟ เคฐเฅเฅเค เคทเคฟเคฆเฅเคฐเคชเฅเคฃเคพ เคฐเฅเคพเคงเฅเคฏเคฐเฅ เคเฅ
เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เคเฅเคเคเคพเคเคฏ เฅเค เคเฅ เคธเคพเคฅ เคเคพเฅเคเค เคเฅ เคเค เคนเฅเฅค เคเคเฅเคท เคฐเฅเฅเค 63 เคทเคฐเฅเคฐเฅเฅ เคเคฐ 126 เคทเคฐเฅเคฐเฅเฅ เคเฅ เคเคฐเคเคฐเคพ เคฐเฅเคงเฅเคฏเคฐเฅ เคฐเฅ เคเคพเค เคเฅ
เคทเคฟเค, เคเคธ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค เคทเคตเคเคพเคฐ เคทเคเค เคเค เคธเคญเฅ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฐเฅเฅเคฒเฅ เฅเค เคเฅ เคทเคฟเค, เคเฅเคฐเคฐเฅเคถเค, เคฆเฅเคฐเคตเฅเคฏเคฐเฅเคพเคฟ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคฆเคฐ เคฟเคเคญเค 20% เคเคฐ 30% เคคเค เคเคฐเฅ เคน เคเคพเคคเฅ เคนเฅเฅค
เคเฅเคทเฅเคทเคคเค เคธเคฐเฅเคคเคฟ เคเฅ เคธเฅเคเคฌเฅเคเคง เคฐเฅเฅเค 15ยฐ, 30ยฐ เคเคฐ 60ยฐ เคเฅ เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เค เคฃ เคชเคฐ เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคชเฅเคฒเฅเค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ
เค เฅเคเคฆเคฐ เค เคถเคพเฅเคเคค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคชเฅเคฐเคพเคเฅเคทเคคเค เคธเฅเคเคตเคนเคฟ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ เคเคพ เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคฐเฅเคช เคธเฅ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ
เคนเฅเฅค เคฟเคพเคทเคฐเฅเคฟเคพ เคธเฅ เค เคถเคพเฅเคเคค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ เค เคธเคฐเฅเคเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค เคฌเคกเฅ เคเคกเฅ เคทเคธเคฐเฅเฅเคฟเฅเคถเคฟ (เคเคฟเคเคเคธ) เคเคพ เคเคชเคฏ เค เคเคฐเคเฅ เคเค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคทเคเคฏเคพ เคเคฏเคพ เคนเฅเฅค เคธเฅเคเคเฅเคฏเคพเคคเฅเคฎเค เคเคพเฅเคเค เคเคฐเคฟเฅ เคเฅ เคทเคฟเค, เคเค เคคเฅเคฟ
เคเคฏเคพเคฐเฅเฅ เคเคฏเคคเคพเคเคพเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคฐเฅเคพเคฟเคพ เคเคพเคคเคพ เคนเฅเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคถเฅเคฟเคพ เคชเฅเคฒเฅเค 250 W/m2 เคเฅ เคทเคฟเคฐเฅเคเคคเคฐ เคเคฐเฅเฅ เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ
เคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคเฅ เคธเฅเคเคชเคเคพ เคฐเฅเฅเค เคนเฅ เคเคฐ เคฟเฅเคเฅ เคเฅ เคฆเฅเคตเคพเคฐ เค เคเคกเฅเคฌเฅเคทเคเค เคฐเฅเคพเคฟเคพ เคเคพเคคเคพ เคนเฅเฅค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคทเคเคฟเคพเคฐ เฅเค เคชเคฐ เคเคตเคทเคงเค เคธเฅเคฐเฅเคพ เคเฅ เคจเฅเคธเฅเคฅเคทเคค เคฟเคพเคเฅ เคน เคคเฅ เคนเฅเฅค เคเคธ เค เคงเฅเคฏเคฏเคฟ เคฐเฅเฅเค, เคฐเฅเฅเคเฅเคฏ เคฟ เคเคธ เคฟเคพเคทเคฐเฅเคฟเคพ เคธเฅ เคเคฌเฅเคพเคฟเฅเคเค เคฐเฅเฅเค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ เคชเคฐ เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เค เคฃ เคเคฐ เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เค เคฃ เฅเค เคชเคฐ เคเฅเคฟเคฟ เคฐเฅเฅเค เคฅเคฐเฅเคพเคฟ เคธเฅเคฐเฅเคพ เคชเคฐเคค เคเฅ เคทเคตเคเคพเคธ เคชเคฐ เคนเฅเฅค เคชเคฐเคฐเคฃเคพเคฐเฅ
เคเฅเคเคทเคเคค เคเคฐเคคเฅ เคนเฅเค เคทเค เคตเฅเค เคเคฐ เคฅเคฐเฅเคพเคฟ เคธเฅเคฐเฅเคพ เคชเคฐเคค เฅเค เคฆ เคฟ เฅเค เคเฅ เคคเฅเคเฅ เคธเฅ เคทเคตเคเคพเคธ เคเฅ เคเคพเคฐเคฃ, เคเฅเคทเฅเคทเคคเค เคทเคตเคฐเฅเคพเคฟ เคเฅ เคธเฅเคเคฌเฅเคเคง เคฐเฅเฅเค เคเฅเคฟเคฟ เคเฅ เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เคทเคฟเคเคฟเฅ เค เคฃ เคชเคฐ เคชเฅเคฐเคพเคฐเฅเคเคทเคญเค เคธเฅเคเคเฅเคฐเคฐเฅเคฃ เคน เคคเคพ เคนเฅเฅค เคทเคตเคทเคญเคจเฅเคจ เคเฅเคฐเฅเคธ เคธเฅเคเฅเคถเคฟ เคชเคฐ เคชเฅเคฐเคพเคชเฅเคค เคคเคพเคชเคฐเฅเคพเคฟ
เคทเคตเคคเคฐเคฃ เคฌเคคเคพเคคเฅ เคนเฅเค เคทเค เคชเฅเคฐเคตเคพเคน เคเฅ เคชเฅเคฐเคพเคฐเฅเคเคทเคญเค เคเคฐเคฃ เคฐเฅเฅเค เค เคชเฅเคเฅเคทเคพเคเฅเคค เคเฅเคเคพเคต เคเฅ เคทเคฟเคเคฟเฅ เค เคฃ เคชเคฐ เคฐเฅเคเคฌเฅเคค เคทเคฐเฅเคถเฅเคฐเคฃ เคน เคคเคพ เคนเฅเฅค
vi
Contents
Certificate
Acknowledgments i
Abstract ii
Contents vi
List of Figures x
List of Tables xvi
Nomenclature xvii
Chapter 1 Introduction 1 1.1 Introduction 1 1.2 Applications of Solar Air Heaters (SAHs) 3 1.3 Motivation 3
1.4 Organization of the Thesis 4
Chapter 2 Literature Survey 6 2.1 Introduction 6
2.2 Natural Convection in Rectangular Channel 6 2.3 Natural Convection in Inclined Channel with Fins 15 2.4 Effect of Flow Resistance on the Performance of a Passive Solar Air Heater 22 2.5 Study of Flow Regimes in the Parallel Plate Channel 26
2.6 Research Gap 32
2.7 Objectives of Present Work 33 Chapter 3 Research Methodology 35
3.1 Experimental Study 35
3.1.1 Experimental Set-up 35 3.1.2 Analysis of the Experimental Parameters and Uncertainty Analysis 39
3.2 Numerical Methodology 41
3.2.1 Governing Equations 41
3.2.2 Turbulence Modelling 42
vii
3.2.3 Numerical Method 44
3.2.4 Large Eddy Simulation (LES) Model 45
3.2.5 Solution Methodology for LES Model 47
3.3 Summary 48
Chapter 4 Effect of Atmospheric Wind on Natural Convection Based Solar Air Heaters 49
4.1 Introduction 49 4.2 Problem Statement and Computational Domain 50 4.3 Boundary Conditions 52 4.4 Grid Independent Study for Numerical Model 54 4.5 Validation of Numerical Model 57 4.6 Results and Discussion 59 4.6.1 Natural Convection (No Atmospheric Wind โ Still Air) 59
4.6.2 Effect of Cross Wind Velocity on Natural Convection Based Solar Air Heater 61
4.6.3 Effect of Direction of the Wind 67 4.6.4 Combined Effect of Atmospheric Wind Direction and the Various Angle of Inclined Channel 70
4.7 Summary 77 Chapter 5 Optimum Arrangement of Fins in a Free Convection Based Solar air Heater 75
5.1 Introduction 75 5.2 Problem Description, Modelling Assumption and Computational Domain 76 5.3 Boundary Condition 79
5.4 Grid Independence Study 80
5.5 Validation of the Computational Model 83
5.6 Result and Discussion 85
5.6.1 Effect of Longitudinal Fins on Heat Transfer and Fluid Flow 85 5.6.2 Effect of Fins Height on Local Surface Temperature Distribution and Outlet Air Temperature 88
5.6.3 Comparison of Surface Temperature in Case of In-line and Staggered Arrangements of Fins 90
viii
5.6.4 Variation of Surface Temperature Distribution on Changing the Fin
Length 91
5.6.5 Performance of Staggered Configuration of Fins in Comparison to Long
Uninterrupted Fins 94
5.7 Summary 96
Chapter 6 Investigation of the Effect of Porous Material on the Flow and Temperature Patterns of a Passive Solar Air heater 98
6.1 Introduction 98
6.2 Problem Description 98
6.3 Computational Domain Used for the Numerical Study 99
6.4 Description of the Boundary Conditions 100
6.5 Grid Independence Analysis 101
6.6 Results and Discussion 103
6.6.1 Comparison of Experimental Data with Numerical Results 103 6.6.2 Flow Pattern and Air Heater Temperature Variation 106 6.6.3 Effect on Mass Flow Rate and Exit Air Temperature 109 6.6.4 Analysis of the Nusselt Number Distribution 111
6.7 Summary 113
Chapter 7 Large Eddy Simulation of Natural Convection Flow in Inclined Parallel Plate Channel 115
7.1 Introduction 115
7.2 Problem Description, Geometric Configuration and Computational Domain 116 7.3 Boundary Conditions 117 7.4 Grid Resolution Assessment 118
7.5 Validation of Numerical Model 120
7.6 Results and Discussion 121
7.6.1 Turbulent Velocity Fluctuations 121 7.6.2 Investigation on the Formation of the Boundary Layer 124 7.6.3 The Variation of Nusselt Number with Change in Angle of Inclination 127 7.6.4 Analysis of Energy Spectrum 128 7.6.5 Analysis of Q Criterion 132
7.7 Summary 134
ix
Chapter 8 Conclusions and Future Work 137
8.1 Introduction 137
8.2 Major Conclusions 138
8.3 Suggestion for Future Work 140
References 141
Publications 156
Bio-Data 157
x
List of Figures
Fig. 1.1 Conventional solar air heater (Bhushan and Singh, 2010) 2 Fig. 2.1 Vertical parallel plate channel with bell mouth shape entrance (Katoh et al.,
1991).
8
Fig. 2.2 Comparison of numerical and experimental wall temperature distributions along the heated vertical wall (Fedorov and Viskanta, 1997).
9
Fig. 2.3 Effect of angle of inclination and Rayleigh number on the Nusselt number distribution with non-dimensional plate spacing (Baskaya et al., 1999).
10
Fig. 2.4 Schematic diagram of solar air heater with sinusoidal wave like absorber plate and a top flat glass cover (Gao et al., 2000).
11
Fig. 2.5 Comparison of normalized vertical velocity for different turbulent model at (a) y/L = 0.77 (b) y/L = 0.53 from the channel inlet (Ben-Mansour et al., 2007).
13
Fig. 2.6 Comparison of normalized temperature for different turbulent model at (a) y/L
= 0.77 (b) y/L = 0.53 from the channel inlet (Ben-Mansour et al., 2007).
13
Fig. 2.7 Fin-array configuration on flat surface studied by Starner and McManus (1963).
16
Fig. 2.8 Schematic diagram of fin array configuration and chosen computational domain (Baskaya et al., 2000).
18
Fig. 2.9 Schematic diagram of the vertically placed fins on the flat plate, (a) continuous rectangular fins (b) interrupted rectangular fin (Ahmadi et al., 2014).
20
Fig. 2.10 Considered geometry for the investigation in Hosseini et al. (2017). 21 Fig. 2.11 Schematic view of the air heater with storage material (Aboul-Enein et al.,
2000). 23 Fig. 2.12 Schematic diagram of indirect type natural convection air heater with storage
material (El-Sebaii et al., 2002).
24
Fig. 2.13 Schematic diagram of natural convection based solar dryer studied by (Pangavhane et al., 2002).
25
Fig. 2.14 Variation of temperature along the channel length at different angle of inclinations (Lau et al., 2012).
28
Fig. 2.15 Computational domain with non-uniformly heated open-ended channel for (a) vertical and (b) inclined channel (Li et al., 2015).
29
xi
Fig. 2.16 Q criterion shown at value of 0.1 coloured by vorticity in z direction in the region of transition to developed region for parallel plates (Kogawa, 2016).
31
Fig. 3.1 Schematic of the experimental set-up with resistance at the exit of the channel. 36
Fig 3.2 Channel cut section. 37
Fig. 3.3 Images of the experimental set-up for the flow resistance at the exit of the channel (a) experimental set-up (b) stainless steel foil on the absorber plate (c) absorber plate coated with black paint (d) wire mesh of drying chamber and (e) glass balls.
38
Fig. 3.4 Thermocouple positions in both top and bottom plates. 39 Fig. 4.1 A natural convection based air heater for solar energy applications (a)
The geometry and the coordinate system considered for the numerical investigation (b) crosswind over the air heater (c) Axial direction of atmospheric wind (d) diagonal flow of the atmospheric wind (e) computational domain considered in the numerical simulation for accounting external wind.
51
Fig. 4.2 Typical computational mesh used in present study (a) a 3D view of discretized domain (b) mesh pattern in the X-Y plan at the mid of the channel.
55
Fig. 4.3 Results of grid independence study - heat flux ๐โฒโฒ = 500 W/m2 (GrL = 5.20 ร 1013) and the inclination angle (๐ฝ) of 30ยฐ (a) temperature along the midline of the top wall (b) Variation of local Nusselt number along the midline of the top wall.
56
Fig. 4.4 Validation of the present numerical model (a) the variation of mean surface temperature along the heated wall of inclined channel with the angle of 30ยฐ - experimental and numerical data of Lau et al. (2012) and the present numerical results (b) comparison of the temperature variation across the channel width obtained from the present numerical results with those of Cheng and Muller (1998).
58
Fig. 4.5 Natural convection in a channel for the angle of inclination of 30ยฐ and the heat flux of 500 W/m2 at the top wall. (a) Streamlines pattern in the channel (b) Temperature distribution over the top wall (c) Temperature distribution over the bottom wall of the channel (d) Temperature
60
xii
distribution of air at the mid plane of the channel along the flow direction.
Fig. 4.6 The effect of crosswind on heat transfer for the angle of inclination of the channel,๏ฑ = 30ยฐ, heat flux, ๐โฒโฒ = 500 W/m2 (GrL = 5.20 ร1013) and the crosswind velocity, Vwind = 0.2 m/s (left), 0.6 m/s (centre), and 1.0 m/s (right).
(a)-(c) streamline patterns (d)-(f) temperature distributions obtained over the top wall (g)-(i) temperature distribution over bottom wall of the channel.
62
Fig. 4.7 The variation of surface temperature of the heated plate for various crosswind velocity for the angle of inclination of the channel of 30ยฐ
and the heat flux of 500 W/m2 (GrL = 5.20 ร 1013).
63
Fig. 4.8 Variation of the mass flow rate and the outlet air temperature at different cross wind velocity (a) mass flow rate and (b) outlet air temperature.
64
Fig. 4.9 Comparison of the mean surface temperature along the length of the top wall and the bottom wall of the channel for different angle of inclination at the fixed heat flux (Grashof number-GrL) for 0.6 m/s crosswind velocity.
66
Fig. 4.10 Effect of the angle of inclination on mass flow rate and bulk mean temperature of air at ๐โฒโฒ = 500 W/m2 (a) variation of mass flow rate (b) variation of outlet bulk mean temperature.
67
Fig. 4.11 Effect of the direction of atmospheric flow on the top and bottom walls of the channel for the angle of inclination (๏ฑ) of 45ยฐ, the crosswind velocity of 0.6 m/s and the heat flux of 500 W/m2 (GrL= 5.20 X 1013) (a) natural convection (b) axial direction flow (c) cross flow and (d) diagonal direction flow.
69
Fig. 4.12 Effect of the angle of inclination on mass flow rate and bulk mean temperature of air at ๐โฒโฒ = 500 W/m2 (a) variation of mass flow rate (b) variation of outlet bulk mean temperature.
72
Fig. 5.1 Schematic of solar air heater (a) Solar air heater with glass plate considering heat losses to the ambient (b) solar air heater without glass plate neglecting all heat losses.
77
Fig. 5.2 A natural convection based air heater and different fin configurations (a) adopted geometry for the numerical study (b) longitudinal fin array
78
xiii
(c) in-line interrupted fin configuration (d) staggered interrupted fin configuration (e) computational domain.
Fig. 5.3 Comparison of results at different grid sizes (a) Variation of velocity along the centreline of the outlet (b) Variation of temperature at the centreline along the length of the top wall.
82
Fig. 5.4 (a) Typical 3 D computational mesh used in present study and mesh pattern in the X-Y plan at the mid of the channel (b) mess pattern near the fin in longitudinal case.
82
Fig. 5.5 Model validation (a) comparison of the temperature rise of the top heated plate of the inclined channel with the Lau et al. (2012a), (b) comparison of surface temperature rise of the heated wall of the vertical channel obtained from the present study with the experimental data of Katoh et al. (1991).
84
Fig. 5.6 Line average (spanwise) temperature distribution of top heated plate and bottom plate along the channel length for different number of fins for 750 W/m2 of heat flux and different angle of inclination (a) โ (b) 15ยฐ, (c) โ (d) 30ยฐ, and (e) โ (f) 45ยฐ.
86
Fig. 5.7 Temperature contours at the (a-f) top heated plate and (g-l) bottom plate for different numbers of longitudinal fins for 30ยฐ inclination angle and 750 W/m2 of heat flux.
87
Fig. 5.8 Variation of span-wise average temperature of the top heated plate along the channel length at different fin height for 12 longitudinal fins across the width for different orientation of the channel and heat flux value (a) 15ยบ and 750 W/m2 (b) 30ยบ and 750 W/m2 (c) 45ยบ and 750 W/m2 (d) 30ยบ and 250 W/m2 and (e) 30ยบ and 500 W/m2.
89
Fig. 5.9 Comparison of top heated surface temperature in case of in-line and staggered fin arrangement.
91
Fig. 5.10 Velocity contours at the mid plane (0.5 Hfin) of the air heater for the staggered arrangement and different fin length for the spacing between the fins of 8.75 cm.
92
Fig. 5.11 Line average (span-wise) temperature profile of the top heated surface along the length of the channel for different fin length.
94
xiv
Fig. 5.12 Comparison of staggered fin arrangement with uninterrupted fin arrangement.
96
Fig. 6.1 Computational domain taken into consideration in the numerical studies.
100
Fig. 6.2 Grid independence study for the numerical model (a) Variation of top plate temperature along the length of the channel (b) change in the velocity at the centerline of the exit of the rectangular channel.
102
Fig. 6.3 Comparison of the temperatures distributions of the channel walls obtained from numerical simulations and experiments for the angle of inclination ฮธ of 30ยฐ (a) โ (c) top plate and (d) โ (f) Bottom plate.
105
Fig. 6.4 Streamlines patterns for the case of 30ยฐ of the inclination angle and
500 W/m2 of heat flux value (a) hp = 0 (no porous material), (b) hp = 126 mm.
106
Fig. 6.5 Temperature distribution along the heated plate with different porous conditions for ๐โฒโฒ = 500 W/m2 at various angles of inclination, ฮธ obtained from the numerical study (a) ฮธ = 15ยฐ, (b) ฮธ = 30ยฐ and (c) ฮธ = 45ยฐ.
107
Fig. 6.6 Temperature distribution of the top plate at different porous conditions for ฮธ = 15ยฐ and ๐โฒโฒ = 750 W/m2 obtained from the numerical study (a) hp = 0 (no porous material), (b) hp = 63 mm and (c) hp = 126 mm.
108
Fig. 6.7 The change in the mass flow rate at different angles of inclination with different porous conditions obtained from the numerical study (a) ฮธ
= 15ยฐ, (b) ฮธ = 30ยฐ and (c) ฮธ = 45ยฐ.
110
Fig. 6.8 The change in the outlet bulk mean temperature at different angles of inclination with different porous conditions (a) ฮธ = 15ยฐ, (b) ฮธ = 30ยฐ and (c) ฮธ = 45ยฐ.
111
Fig. 6.9 The Nusselt number distribution of the top heated plate for different porous conditions at ๐โฒโฒ = 500 W/m2 (a) ฮธ = 15ยฐ, (b) ฮธ = 30ยฐ, (c) ฮธ = 45ยฐ and (d) comparison of experimental and numerical results for ฮธ = 30ยฐ and hp = 63 mm.
112
Fig. 7.1 Natural convection between parallel plates (a) physical geometry (b) computational domain adopted for the LES
117
xv
Fig. 7.2 (a) A typical computational grid used to perform the LES in the inclined parallel plate channel. Close-up view of the mesh for (b) periodic section of the channel and (c) top (also bottom) wall.
118
Fig. 7.3 Variation of the grid spacing to the Kolmogorov length ratio at y/L=
0.5 for the parallel plate channel.
119
Fig. 7.4 Variation of the mean velocity near upper wall compared with the numerical results of Kim et al. (1987) and the experimental data of Eckelmann (1974).
121
Fig. 7.5 The variations of time averaged rms velocity components at the midline of the channel along the length at different angle of inclinations (a) streamwise component (b) normal component and (c) spanwise component.
123
Fig. 7.6 Contours plots of streamwise rms velocity components (vrms) for different angle of inclinations (a) 15ยฐ, (b) 30ยฐ, and (c) 60ยฐ.
124
Fig. 7.7 The contours of thermal boundary layers at different position of the channel in the streamwise direction (a) position of the chosen planes, (b) ฮธ = 15o, (c) ฮธ = 30o, (d) ฮธ = 60o.
126
Fig. 7.8 The time averaged Nusselt number distributions over the heated plate for the inclination angles of 15ยฐ, 30ยฐ and 60ยฐ along the channel length at the midline of the channel (z/w = 0.5).
128
Fig. 7.9 Position of the probes used for the measurement of the time signal velocity data.
129 Fig. 7.10 The time signals of instantaneous velocity at different locations (a)
center of the channel (b) close to the heated wall.
129
Fig. 7.11 The power spectral density of the three velocity components at (a) location 5, (b) location 6, (c) location 11 and (d) location 12.
131
Fig. 7.12 Auto-correlations function over a time period of 12 sec for three velocity components at (a) location 5, (b) location 6, (c) location 11 and (d) location 12 for parallel plate channel.
132
Fig. 7.13 Iso surface of Q criterion, colored with mean Y velocity for different angle of inclinations (a) ฮธ = 15o, (b) ฮธ = 30o and (c) ฮธ = 60o.
134
xvi
List of Tables
Table 3.1 Uncertainties of the measured parameters. 41
Table 4.1 Details of the parameters considered in the study. 52 Table 5.1 Number of cells used for grid sensitivity analysis. 81 Table 5.2 Outlet air temperature at different fin height. 90 Table 5.3 Details of the fin geometry with equal fin material. 92
xvii
Nomenclature
A Area (mm2)
๐ถ1๏ฅ,C2,๐ถ3๏ฅ Empirical constants in ๐ โ ๐ turbulence model ๐ท๐ Mean particle (glass ball) diameter, mm Fij View factor from ith element to the jth element g Gravitational acceleration, m/s2
GrL Grashof number based on channel length
havg Average convective heat transfer coefficient, W/m2K
hp Porous material thickness, mm
Hfin Fin height, mm
I Fin interruption length, mm
๐ฝ Radiosity, W/m2
k Turbulent kinetic energy, m2/s2
kf Thermal conductivity of the fluid, W/mK
L Length of the channel, mm
W Width of the channel, mm
H Height of the channel, mm
l Length of the extended domain, mm
w Width of the extended domain, mm
h Height of the extended domain, mm
๐๐ข๐ฅ๐ Local Nusselt number
NuL Average Nusselt number
P Pressure, N/m2
xviii
Pr Prandtl number
๐โฒโฒ Heat flux over the heated plate, W/m2
Ra Rayleigh number
Ra* Modified Rayleigh number
S Fin spacing, mm
T Temperature, K
Ta Ambient temperature, K
Tin Inlet air temperature, K
Tw Surface temperature of heated wall, K ๐โฒ Fluctuating component of temperature, K ๐ขฬ ๐ Mean velocity component in ๐ฅ๐ direction, m/s ๐ขโฒ๐ Fluctuating velocity component in ๐ฅ๐ direction, m/s
Vwind Wind velocity, m/s
x, y, z Cartesian coordinates
y+ Non dimensional wall coordinate, y ๏ดw ๏ฒ ๏ฎ Greek symbols
ฮฒ Thermal expansion coefficient, K-1
ยต dynamic viscosity, Pa-s
ฯ Mass density of air, kg/m3
๐๐ก Eddy viscosity, Ns/m2
ฯ wall shear stress, Pa
ฮต Emissivity of the channel walls
ฯk , ฯฮต Empirical model constant used in turbulent kinetic energy and turbulent dissipation equation
xix
ฯij Reynolds stress tensor
j iu
๏ดu , uT
๏ด j Subgrid scale stress tensors
ฮฝ Kinematic viscosity, m2/s
๐ Channel inclination from horizontal, degree (ยฐ)
๐๐ก Turbulent Prandtl number
ฯ Porosity of the packed bed
๏ij rotation rate tensor
๏ฆ scalar quantity
๏ Filter width in LES model
๏t Time increment, s
Subscripts
avg average
Conv Convection
rad Radiation
๐ Fluid
๐ค wall
mean mean flow
SGS Subgrid scale