Analysis of Flow and Heat Transfer in a Flat Solar Collector with Rectangular and Cylindrical Geometry Using CFD*

The present investigation describes the construction and experimentation of two solar energy absorbersusing water as working fluid and its simulation in Computational Fluid Dynamics (CFD). For Absorber A with rectangular cross section and Absorber B with circular cross section, water temperature was calculated using solar radiation and ambient temperature measurements showing increases of up to 62.5° C for both absorbers. The maximum thermosiphonic flow measurement in Absorber A was 701/h and 791/h in Absorber B. On this basis, finite element method and CFD were used to analyze the difference between both flows, with 45, 50, 55, 60, 65 and 70 1/h as simulation values. With the simulation results the Reynolds numbers were determined, finding that the maximum flow (70 1/h) gives the largest Reynolds number variation: 25 ≤ Re ≤ 115 for Absorber A and 199 ≤ Re ≤ 235 for Absorber B. With a smaller variation in Absorber B, the flow at all ducts turns out to be more uniform, which results in more ducts transferring heat to the working fluid.

ResumenLa presente investigación describe la construcción y la experimentación de dos absorbedores de energía solar que utilizan agua como fluido de trabajo y su simulación en dinámica de fluidos computational (CFD). Para el absorbedor A con sección transversal rectangular y el absorbedor B con sección transversal circular, la temperatura del agua se calculó utilizando la radiación solar y las mediciones de temperatura ambiente muestran incrementos de hasta 62.5° C para ambos absorbedores. La medición del flujo termosifónico máximo en el absorbedor A fue de 701/h y en el absorbedor B de 791/h. Sobre esta base, el método de elemento finito y CFD se utiliza para analizar la diferencia entre ambos flujos, con 45, 50, 55, 60, 65 y 701/h como valores de simulación. Con los resultados de la simulación se determinaron los números de Reynolds, encontrándose que el caudal máximo (701/h) ofrece la mayor variación del número de Reynolds: 25 ≤ Re ≤ 115 para el absorbedor A y 199 < Re < 235 para el absorbedor B. Con una variación menor en el absorbedor B, el flujo en todos los conductos resulta ser más uniforme, lo que implica más conductos transfiriendo calor al fluido de trabajo.