Exergy analysis of double-circuit flat solar collector with thermosyphon circulation

• Autorzy: Wójcik Waldemar , Kalimoldayev Maksat , Amirgaliyev Yedilkhan , Kunelbayev Murat , Kalizhanova Aliya , Kozbakova Ainur , Merembayev Timur

Identyfikatory

DOI

10.35784/IAPGOS.230

Warianty tytułu

PL

Analiza egzergetyczna kolektora słonecznego dwuobwodowego z obiegiem termosyfonu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the present work, an exergy analysis was done of two-circuit flat solar collector with thermosiphon circulation. The article presents a mathematical model of energy and exergic analysis of flat solar collectors, as well as calculations of solar radiation efficiency, temperature, flow rate of the fluid, exergy rates and exergy loss rates are done. The significance of the results achieved is high, since experimental studies can detect inefficient components of the solar heating system. The exergetic efficiency of a dual-circuit flat solar collector with a thermosiphon circulation describes irreversibility of the process according to thermodynamic parameters. This is caused by a large the degree of overheating achieved at the end of the processes of compression and evaporation, which leads to large differences in heat exchange temperature based on the heat pump cycle. The exergy efficiency value for the entire system is 70. Maximum values energy efficiency and exergy at noon, 32.5% and 2.23%, respectively. The efficiency of exergy is 4%, and the highest the loss of exergy is the difference between the absorber plates and the sun, accounting for 52.86% of the total exergy rate.

PL

W niniejszej pracy wykonano analizę egzergetyczną płaskiego kolektora słonecznego dwuobwodowego z cyrkulacją termosyfonową. W artykule przedstawiono model matematyczny analizy energetycznej i egzergetycznej płaskich kolektorów słonecznych, a także obliczono sprawność promieniowania słonecznego, temperaturę, natężenie przepływu cieczy, wskaźniki egzergii i wskaźniki strat egzergetycznych. Znaczenie osiągniętych wyników jest duże, ponieważ badania eksperymentalne mogą wykryć nieefektywne elementy systemu ogrzewania energią słoneczną. Egzergetyczna sprawność dwuobwodowego płaskiego kolektora słonecznego z obiegiem termosyfonowym opisuje nieodwracalność procesu według parametrów termodynamicznych. Jest to spowodowane dużym stopniem przegrzania osiąganym pod koniec procesów sprężania i odparowywania, co prowadzi do dużych różnic w wymianie ciepła w oparciu o cykl pompy ciepła. Efektywność energetyczna całego systemu wynosi 70. Maksymalne wartości sprawności energetycznej i egzergii w południe, odpowiednio 32,5% i 2,23%. Efektywność egzergii wynosi 4%, a największą stratą egzergii jest różnica pomiędzy płytami absorbera a słońcem, stanowiąca 52,86% całkowitego wskaźnika egzergii.

Słowa kluczowe

EN

temperature; solar energy; analysis; mathematical model

PL

temperatura; energia słoneczna; analiza; model matematyczny

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 9, nr 3
• Strony: 35--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wójcik Waldemar

• Lublin University of Technology, Institute of Electronics and Information Technology, Lublin, Poland

autor

Kalimoldayev Maksat

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan

autor

Amirgaliyev Yedilkhan

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan
• Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

autor

Kunelbayev Murat

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan

autor

Kalizhanova Aliya

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan
• Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

autor

Kozbakova Ainur

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan
• Al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

autor

Merembayev Timur

• Institute of Information and Computational Technologies SR MES RK, Almaty, Kazakhstan

Bibliografia

• [1] Amirgaliyev Ye.N., Kunelbayev M., Wójcik W., Kalizhanova A.U., Auyelbekov O.A., Katayev N.S., Kozbakova A.Kh., Irzhanova A.A.: Solar-driven resources of the republic of Kazakhstan. News of The National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences 4(430)/2018, 18–27.
• [2] Arora A., Kaushik S.C.: Theoretical analysis of a vapour compression refrigeration system with R502, R404A and R507A. Int. J. Refrig. 31/2008, 998–1005.
• [3] Ben H.: Analysis and Synthesis of Energy Utilization. Chinese Petrochemical Engineering Press, Beijing 1995.
• [4] Cengel Y.A., Boles M.A.: Thermodynamics and Engineering Approach. McGraw-Hill, Boston 2005.
• [5] Duffie J.A, Beckman W.A.: Solar engineering of thermal process. John Wiley and Sons Inc., Canada 1974.
• [6] Duffie J.A, Beckman W.A.: Solar engineering of thermal process. Wiley, New York 1991.
• [7] Farahat H.A.S., Sarhaddi F.: Exergetic optimization of flat plate solar collectors. Renew. Energy J. 8/2009, 1169–1174.
• [8] Ge Z., Wang H., Wang H., Zhang S., Guan X.: Exergy analysis of flat plate solar collectors. Entropy 16/2014, 2549–2567.
• [9] Gertzos K.P., Caouris Y.G., Panidis T.: Optimal design and placement of serpentine heat exchangers for indirect heat withdrawal, inside flat plate integrated collector storage solar water heaters (ICSSWH). Renew. Energy 35/2010, 1741–1750.
• [10] Goswami D.Y., Kreith F., Kreider J.F.: Principles of solar engineering. Taylor & Francis, Pasadena 2000.
• [11] Gupta M.K., Kaushik S.C.: Exergetic performance evaluation and parametric studies of solar air heater. Energy 33/2008, 1691–1702.
• [12] Hossain M.S., Saidur R., Fayaz H., Rahim N.A., Islam M.R., Ahamed J.U., Rahman M.M.: Review on solar water heater collector and thermal energy performance of circulating pipe. Renew. Sustain. Energy Rev. 15/2011, 3801–3812.
• [13] Jafarkazemi F., Ahmadifard E.: Energetic and Exergetic evaluation of flat plate solar collectors. Renew. Energy 56/2013, 55–63.
• [14] Kalogirou S.A., Karellas S., Braimakis K., Stanciu C., Badescu V.: Exergy analysis of solar thermal collectors and processes. Prog. Energy Combust. Sci. 56/2016, 106–137.
• [15] Liu R.H.T.G., Cengel Y.A.: Exergy Analysis of Solar Heating System. J. Sol. Energy Eng. 117/1995, 249–251.
• [16] Luminosu I.; Fara L.: Determination of the optimal operation mode of a flat solar collector by exergetic analysis and numerical simulation. Energy 30/2005, 731–747.
• [17] Mahadi M.S.-U.-R., Hasan M.F., Ahammed A., Kibria M.T., Huque S.: Construction, fabrication and performance analysis of an indigenously built serpentine type thermosyphon solar water heater. Proceedings of the 2014 3rd International Conference on the Developments in Renewable Energy Technology (ICDRET), Dhaka, Bangladesh, 29–31 May 2014, 2–7.
• [18] Marletta L.: Air conditioning systems from the 2nd law perspective. Entropy 15/2013, 859–877.
• [19] Matlab Optimization Toolbox, https://www.mathworks.com/products/ optimization.html (available 1.06.2019).
• [20] Suzuki A.: General theory of exergy-balance analysis and application to solar collector. Energy 13/1988, 153–160.
• [21] Torres-Reyes E., Gortari J.C., Ibarra-Salazar B., Picon-Nuñez M.: A design method of flat-plate solar collectors based on minimum entropy generation. Exergy Int. J. 1/2001, 46–52.
• [22] Xiaowu W., Ben H.: Exergy analysis of domestic-scale solar water heaters. Renew. Sustain. Energy Rev. 9/2005, 638–645.
• [23] Yazdi M., Aliehyaei M., Rosen M.A.: Exergy, economic and environmental analysis of gas turbine inlet air cooling with a heat pump using a novel system configuration. Sustainability 7/2015, 14259–14286.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).