CFD modeling of a tubular three-pass solar air heater with phase change material: Investigating heat transfer enhancement and energy efficiency

相变 传热 材料科学 传热流体 计算流体力学 相变材料 太阳能 能量转移 环境科学 机械 核工程 工程物理 机械工程 工程类 物理 电气工程
作者
Hiwa Abdlla Maarof,Vahid Madadi Avargani,Iyd Eqqab Maree,Abdulelah Hameed Yaseen
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:87: 111522-111522 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.111522
摘要

The present study introduces a novel solar air heater design featuring a tubular surface with three passes arranged in a counter-flow configuration, aimed at improving compactness and enhancing heat transfer characteristics. The research involved the development and validation of a computational fluid dynamics (CFD) model, which was utilized to accurately depict the distribution of solar flux through the system components by comparing the model results with experimental data. The study involved conducting a comparative analysis between the tubular three-pass solar air heater with phase change material (TTPSAH_PCM) and conventional flat plate solar air heaters (FPSAH) to ascertain the superior design characteristics. A thorough investigation was carried out, encompassing evaluations of energy, exergy, outlet temperature, convection heat transfer coefficient, and useful heat gain. The findings indicate that the TTPSAH_PCM outperforms alternative geometries. For instance, when operating at a mass flow rate of 0.006 kg/s, the TTPSAH_PCM demonstrates substantial enhancements in several key metrics, including an 11.4 % increase in the system's daily thermal efficiency, a 17 % improvement in exergy efficiency, and a 4 % rise in outlet air temperature. The convection heat transfer coefficient of TTPSAH_PCM exhibited a 155.6 % increase compared to the FPSAH type. Moreover, the system being investigated demonstrates an 8.5 % rise in useful heat gain. The results underscore the enhanced efficacy of the TTPSAH_PCM system in contrast to alternative solar air heater arrangements, and its applicability for both drying operations and indoor heating applications.
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