Experimental Investigation of Perforated Glazed Transpired Solar Air Heaters

Abstract

In this experimental study, performances of a novel type solar air heater, perforated glazed solar air heater (PGSAH), and a black coloured unglazed transpired solar air heater (UTSAH) was surveyed. The current study involves two series of experiments. The first series of experiments are accomplished on single pass perforated glazed solar air heaters (SPGSAHs) with different inner colours which have no absorber plates inside the collectors. The second series of experiments have been carried out on double pass perforated glazed solar air heater with packed beds (DPGSAHPB) which are used as absorber plates. The thermal performances of SPGSAH having different inner collector colours, DPGSAH with packed beds and UTSAH were investigated experimentally in this study. Moreover, in order to compare the performances of the PGSAHs and UTSAH, two PGSAHs having perforated plexiglas glazing were constructed and a UTSAH with black coloured perforated sheet metal utilized as an absorber plate was constructed. The diameters of the holes of plexiglas covers and sheet metal cover were 3 mm and the pitch distance was 30 mm. The fans sucked ambient air into the collectors through the perforated plexi glass in the PGSAHs. The thermal efficiency and outlet temperature of collectors were obtained between various mass flow rates of 0.014 and 0.036 kg/s. It was inferred from results that highest value of thermal efficiency and temperature differences were obtained using green and black PGSAHs in first series of experiments and DPGSAH which utilizes iron wools as packing material in second series of experiments. The results indicated that the thermal efficiencies of UTSAHs were lower than the PGSAHs thermal efficiencies. The maximum values of thermal efficiencies for black, green, blue, red, violet, light yellow and white SPGSAHs are found 85%, 84%, 76%, 65%, 61%, 54% and 55% respectively, at same mass flow rate, the highest thermal efficiency for UTSAH was 50%. Moreover, the average thermal efficiency for DPGSAH with iron wools and DPGSAH with mesh layers are 81.9 %, 75% respectively for air mass flow rate 0.036 kg/s. The highest temperature differences (ΔT) observed were 17.9℃, 17.3℃, 15.4℃ for black, green and blue SPGSAHs respectively for air mass flow rate of 0.024 kg/s. Furthermore, the maximum ΔT for DPGSAH with iron wools is obtained around 29.1℃ at a minimum mass flow rate of 0.014 kg/s. Within specified range of air mass flow rates from 0.014 to 0.036 kg/s, the thermal efficiency of PGSAH enhanced when the air flow rate was increased. As expected, the results demonstrate that thermal efficiencies of PGSAHs were increased if packed bed materials were employed or the collectors were painted by dark colours. The thermal efficiency and outlet air temperature of the DPGSAHPB was greater than the SPGSAH for the same mass flow rates. The DPGSAHPB which utilizes iron wools as packing material had better thermal performance than the DPGSAHPB with mesh layers used as packing material. Keywords: Renewable energy, perforated glazed solar air heater, transpired solar air heater, double pass, thermal efficiency, collector colours

ÖZ: Bu deneysel çalışmada, yeni tip bir güneşli hava ısıtıcısı, delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcısı ve siyah renkli delikli yutuculu geçirgen örtüsüz güneş hava ısıtıcısının performansları araştırılmıştır. Bu çalışma iki dizi deney içermektedir. Deneylerin ilk serisi tek geçişli, delikli geçirgen örtülü, farklı kollektör renkleri olan ve yutucu plakası olmayan güneş hava ısıtıcılarında gerçekleştirildi. İkinci deney serisi, çift geçişli delikli geçirgen örtülü, yutucu plaka yerine dolgu malzemesi kullanılan güneş hava ısıtıcıları için gerçekleştirildi. Bu çalışmada tek geçişli delikli geçirgen örtülü, farklı renkli kollektörleri olan hava ısıtıcıları ve çift geçişli delikli geçirgen örtülü, yutucu plaka yerine dolgu malzemesi kullanılan güneş hava ısıtıcılarının ısıl performansları deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca, delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcısıları ve siyah renkli delikli yutuculu geçirgen örtüsüz güneş hava ısıtıcısının performanslarını kıyaslamak için, iki adet delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcısı ve yutucusu delikli siyah metal levha örtü olan geçirgen örtüsüz bir adet hava ısıtıcısı üretildi. Plexiglas ve metal levha üzerindeki delik çapları üç mm, delikler arasındaki mesafe 30 mm idi. Dış hava sürekli olarak delikli pleksiglastan kollektör içerisine fan ile emildi. Değişen hava kütle akış hızlarında 0.014 - 0.036 kg/s kollektörlerin ısıl verimlilikleri ve hava çıkış sıcaklıkları elde edildi. Birinci deney serisinde en yüksek ısıl verimlilik ve hava çıkış sıcaklığı kollektörleri siyah ve yeşil olan delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcılarında elde edildi. İkinci deney serisinde en yüksek ısıl verimlilik ve hava çıkış sıcaklığı demir yünü dolgulu çift geçişli delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcısında elde edildi. Sonuçlar siyah renkli delikli yutuculu geçirgen örtüsüz güneş hava ısıtıcılarının ısıl verimliliği, delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcısılarına göre daha az olduğunu göstermektedir. Kollektörleri siyah, yeşil, mavi, kırmızı, mor, açık sarı ve beyaz olan tek geçişli delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcısında elde edilen en yüksek ısıl verimlilik 0.036 kg/s hava akış hızında sırasıyla, %85, %84, %76, %65, %61, %54 ve %55 idi, aynı hava akış hızında siyah renkli delikli yutuculu geçirgen örtüsüz güneş hava ısıtıcılarının ısıl verimliliği %50 idi. Ayrıca, çift geçişli delikli pleksiglas örtülü demir yünü dolgulu ve tel örgü katmanlı güneş hava ısıtıcılarında ortalama verimlilik 0.033 kg/s hava akış hızında sırasıyla %81.9 ve %75 idi. Tek geçişli delikli pleksiglas örtülü siyah, yeşil ve mavi kollektörlü güneş hava ısıtıcılarında elde edilen en yüksek ani sıcaklık değişimi 0.014 kg/s hava akış hızında sırasıyle 17.9 ℃, 17.3 ℃, 15.4 ℃ idi. Ayrıca, demir yünü dolgulu çift geçişli delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcısında elde edilen en yüksek ani sıcaklık değişimi 0.024 kg/s hava akış hızında yaklaşık 29.1℃ idi. Belirtilen 0.014 - 0.036 kg/s hava akış hızı aralığında, delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcılarının ısıl verimliliği hava akış hızının artırılması ile artmaktadır. Beklendiği gibi delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcılarının kollektörlerinin koyu renkli olması veya kollektörde dolgu malzemesinin kullanılması ısıl verimliliği artırmaktadır. Aynı hava hızlarında çift geçişli delikli pleksiglas örtülü malzeme dolgulu güneş hava ısıtıcısında elde edilen ısıl verimlilik ve ani sıcaklık değişimi tek geçişli delikli pleksiglas örtülü güneş hava ısıtıcısından elde edilenden daha yüksektir. Çift geçişli delikli pleksiglas örtülü demir yünü malzeme dolgulu güneş hava ısıtıcısının ısıl verimliliği tel örgü katmanlı güneş hava ısıtıcısından daha yüksektir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, güneş hava ısıtıcısı, delikli geçirgen örtülü güneş hava ısıtıcısı, ısıl verimlilik, çift geçişli güneş hava ısıtıcısı, kollektör renkleri.